WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО БИОТОПЛИВА ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СЕВЕРНЫЙ (АРКТИЧЕСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

М.В. ЛОМОНОСОВА

на правах рукописи



Марьяндышев Павел Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО БИОТОПЛИВА

Специальность 05.14.04 «Промышленная теплоэнергетика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н, профессор Любов В.К.

Архангельск

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………….……..4

1. Свойства биотоплива и особенности его горения

1.1 Характеристика древесного биотоплива

1.2 Горение древесины

1.2.1 Прогрев частицы и испарение содержащейся в ней влаги

1.2.2 Процесс выхода и горения летучих веществ

1.2.3 Горение коксового остатка

1.3 Пиролиз и газификация древесины…….……………………………………...19

1.4 Образование вредных примесей (NOX)..….………………………...…….…...20

2. Исследования по тематике термических методов анализа и лабораторное оборудование для проведения анализа

2.1 Опубликованные работы по тематике термических методов анализа.......... 23

2.2 Анализ приборного ряда для проведения термического анализа.................. 25

2.3 Анализ литературы по термогравиметрическим исследованиям.................. 27

2.4 Использование кинетических параметров при численном моделировании топочного процесса котельного агрегата

3. Термические методы анализа биотоплива в лабораторных условиях……………………………………………………………………………..39

3.1 Подготовка образцов биотоплива для проведения термического метода анализа

3.2 Проведение термических методов анализа биотоплива

3.2.1 Термогравиметрический и кинетический анализы биотоплива.................. 43 3.2.2 Математические модели определения кинетических характеристик......... 48

3.3 Кинетический анализ на основе распределенной модели определения энергии активации

3.4 Морфологический анализ структуры образцов и коксового остатка............ 55

3.5 Хроматографический анализ газовых смесей в процессе пиролиза различных видов древесного топлива

4. Результаты моделирования топочного процесса низкоэммисионного вихревого котла

4.1 Схема и технические характеристики котельного агрегата ПК-10............... 67

4.2 Модель горения угольного топлива

4.3 Моделирование турбулентности…......……………………...…….…….…….69 4.3.1 Модели турбулентности………………………………………...…..….…….70 4.3.2 Метод пристеночных функций………………………………………...…….71

4.4 Модель топочного устройства котельного агрегата

4.5 Результаты численного моделирования

5. Результаты моделирования топочного процесса низкоэммисионного вихревого котла ПК-10 для перевода его на сжигание древесного топлива

5.1 Модель горения древесного топлива

5.2 Модель и результаты численного моделирования котельного агрегата ПК-10 при сжигании древесного топлива

5.3 Численное моделирование топочного процесса низкоэмисионного вихревого котла ПК-10 при совместном сжигании угля и древесного топлива..

5.4 Оценка экономической эффективности предложенных технических решений

Вывoды и научные рекомендации

Библиографический список

Приложение………………………………………………………………………..105

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и степень ее разработки. В энергетической стратегии Российской Федерации к числу важнейших принципов обеспечения энергетической безопасности отнесены: принцип заменимости исчерпаемого ресурса; диверсификация видов топлива и энергии; экологической приемлемости;

максимально возможного использования во всех технологических процессах и проектах отечественного оборудования; приоритетности внутреннего потребления энергоресурсов их экспорту и рационализации структуры экспорта путем перехода от преимущественного экспорта первичных энергоносителей к более широкому экспорту продуктов их переработки и ряд других принципов [1].





Экологическая политика в сфере энергообеспечения предусматривает:

стимулирование производства и потребления топлива и энергии технологиями, улучшающими здоровье населения и состояние окружающей среды; вовлечение в топливно-энергетический баланс возобновляемых источников энергии и отходов производства в целях уменьшения негативного влияния энергетической деятельности на окружающую среду и сохранения потенциала невозобновляемых энергоресурсов для будущих поколений.

Возобновляемые источники энергии, важнейшим из которых является энергия, аккумулированная в растительности, могут сыграть существенную роль в решении энергетических проблем. Поэтому биоэнергетике последнее время уделяется большое внимание. Так в ведущих странах Европы, Америки и Азии основные инвестиции направляются именно в этот сектор экономики с целью его переоснащения, модернизации и достижения качественно нового уровня к 2020 году. Необходимость инновационного совершенствования отчетливо осознается также во всех странах-импортерах энергоносителей, которые активно содействуют развитию альтернативной энергетики, чтобы уменьшить издержки от импорта дорогих углеводородов [2].

В настоящее время использование биотоплив в электроэнергетике Российской Федерации занимает менее 2 % и не может решить проблемы защиты окружающей среды от выбросов вредных веществ в масштабах всей страны.

Однако применение биотоплив там, где это возможно – вместо невозобновляемых первичных энергоресурсов является обязательным элементом совершенствования энергохозяйств промышленных предприятий. Производство энергии на базе возобновляемых источников энергии становится необходимым и не имеющим альтернативы. По оценке экспертов, к 2020 году доля энергии, вырабатываемой с помощью возобновляемых источников энергии, должна составлять не менее 7 % в суммарном энергетическом балансе РФ [3].

Энергетические установки, которые обеспечивают развитие нашей цивилизации, являются к сожалению, одним из основных загрязнителей атмосферы оксидами серы и азота, бенз(а)пиреном, твердыми частицами, а их вклад в выбросы диоксида углерода, вызывающего «парниковый» эффект, можно признать основным.

Одним из направлений снижения выбросов вредных веществ в атмосферу установками топливно-энергетического комплекса следует считать замену невозобновляемых топлив – углей и мазутов – на возобновляемые виды биотоплива. Поэтому в развитых индустриальных странах для уменьшения воздействия «парниковых» газов на климат планеты активно поощряется замена ископаемых топлив биотопливом. Для стабилизации концентрации углекислого газа в атмосфере, глобальная эмиссия «парниковых» газов должна составить, по крайней мере, 60 % от современного уровня. Около 80 % от общемировых выбросов «парниковых» газов приходится на долю индустриально развитых стран [4].

К биотопливу относится: древесина и отходы ее обработки и переработки – опилки, стружка, древесная пыль, щепа, кора, ветки, некондиционная древесина, древесные гранулы (пеллеты и брикеты); отходы сельскохозяйственного производства (подсолнечная лузга, солома, шелуха риса, проса и др.);

специальные плантации «энергетического» леса и кустарников; жидкое и газообразное топливо, получаемое из биотоплива.

При сжигании биотоплива резко снижаются выбросы оксидов серы, азота, летучей золы, а выбросы углекислого газа считаются равными нулю, так как в процессе роста растения поглотили такое же количество углекислого газа и выделили кислород. Поэтому государственной научно-технической программой РФ «Экологически чистая энергетика» в качестве одного из приоритетных направлений в области нетрадиционной энергетики рассматривается широкое использование энергетического потенциала биомассы.

Перспективы развития биоэнергетики РФ позволяют объединить возможность рационального использования лесных ресурсов и производства энергии, что имеет большое значение для глобального углеродного цикла и стабилизации климатической системы Земли [2].

Согласно плану мероприятий по созданию благоприятных условий для использования возобновляемых древесных источников для производства тепловой и электрической энергии основными направлениями развития биоэнергетики являются:

вовлечение в переработку неликвидных древесных материалов (низкосортной древесины, отходов заготовки, отходов переработки);

производство топливных гранул и брикетов;

использование древесины в качестве топлива для производства тепловой и электрической энергии в промышленной и коммунальной энергетике, домохозяйствах [2].

Многие территории РФ имеют огромный потенциал древесного топлива для производства тепловой энергии. В частности почти все регионы СевероЗападного федерального округа имеют потенциал от 81 до 100 %, чтобы полностью покрыть всю тепловую нагрузку региона, в том числе и Архангельская область [5].

Архангельская область является энергодефицитным регионом. В области одни из самых высоких тарифов на Северо-Западе России, высокая энергоемкость экономики, практически полная зависимость от завозных энергоресурсов. В связи с этим развитие перспективных направлений энергетики, энергоснабжения и повышения энергетической эффективности рассматриваются в качестве ключевых источников экономического роста и инновационного развития.

Архангельская область традиционно занимает лидирующие позиции по запасам и объемам переработки лесных ресурсов, и соответственно, по объемам использования древесины в качестве биотоплива для источников энергоснабжения. Запас древесины в Архангельской области 2,5 млрд. пл. м 3, расчетная лесосека 23,7 млн. пл.м3. Заготовка древесины составляет 11,4 млн. пл.

м3, из которых отходы лесозаготовки 2,1 млн. пл. м3 и санитарные рубки 1,2 млн.

пл.м3.

Отходы деревообработки, пеллеты и иные виды древесного топлива составляют в топливном балансе Архангельской области беспрецедентные 15%.

Таким образом, именно биоэнергетика служит локомотивом реализации местного энергетического потенциала и делает регион уникальным в масштабах страны.

Цель данной работы – повышение эффективности энергетического применения древесного биотоплива на основе результатов комплексного термического анализа и моделирования на их основе топочных процессов котлоагрегатов.

Основные задачи исследования, решаемые в настоящей работе:

Элементный анализ и определение теплотехнических характеристик 1.

древесного биотоплива разных пород, характерных для Северо-запада РФ;

проведение комплексного термического анализа древесного биотоплива;

исследование влияния разных факторов на характер термоаналитических кривых и выбор экспериментальных условий выполнения комплексного термического анализа.

Применение кинетических характеристик, полученных в результате 2.

комплексного термического анализа, для моделирования процессов, происходящих при сжигании древесного биотоплива в топочной камере котлоагрегата.

Влияние термического разложения древесного биотоплива на его 3.

морфологическую структуру и реакционную способность.

Хроматографический анализ газовых смесей, выделяющихся в 4.

процессе термического разложения древесного биотоплива.

Моделирование топочного процесса низкоэмиссионного вихревого 5.

котла, и разработка рекомендаций по организации совместного сжигания угля и древесного топлива.

Строгие требования по выбросам СО2 и других парниковых газов в процессе горения являются движущей силой развития технологий, основанных на возобновляемых источниках энергии, таких как биотопливо [6].

Однако использование биотоплива в котельных установках для выработки тепловой и электрической энергии является сложным технологическим процессом. Высокое содержание хлоридов щелочных металлов, в основном KCl, может стать причиной высокотемпературной коррозии [7]. Высокая коррозионная активность хлора значительно уменьшает время эксплуатации стальных частей котельных агрегатов (экранные трубы, элементы теплообменных аппаратов).

Частая замена этих элементов не может быть осуществлена в виду экономических соображений. Эта проблема сейчас является аспектом многих исследовательских работ [8-11].

Одним из методов уменьшения коррозионного эффекта хлора – это проведение процесса термического разложения биотоплива в диапазоне низких температур от 600 до 850 °С. При низких температурах мы сталкиваемся с термическими превращениями, протекающими в процессах сухого разложения без доступа воздуха. При таких условиях, возможно, эффективно производить процесс связывания хлора, выделяющегося при горении биотоплива, в HCl при помощи добавления сорбентов известняка [12-14].

Тем не менее, перед тем как внедрять технологии сжигания биотоплива, необходимо провести изучение процессов, которые характерны для определенных типов биотоплива при термической обработке.

Оценка возможности переработки древесных отходов показывает широкие перспективы их энергетического использования, однако существует множество факторов оказывающих определенное влияние на эффективность использования древесной биомассы. Например, влажность древесных топлив может меняться в довольно широких пределах. Это приводит к определенным трудностям при их использовании в существующих топочных устройствах. Также существенное влияние на эффективность сжигания оказывает гранулометрический состав топлива. Отклонения в размерах частиц, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения от оптимального для данного типа топочного устройства снижают эффективность его работы. Кроме того, физико-химические и теплотехнические свойства различных видов древесной биомассы имеют некоторые отличия, поэтому знание специфических особенностей древесной биомассы позволяет обеспечить квалифицированную разработку и проведение мероприятий для экономически и экологически эффективной работы котлоагрегатов [15-16].

В связи с этим исследование процессов, протекающих при сжигании древесного топлива, изучение влияния различных факторов на эффективность его сжигания является весьма актуальной задачей. Для ее решения используют методы термического анализа.

Наиболее подходящими методами термического анализа для определения реакционной способности твердых биотоплив являются: термогравиметрический анализ (ТГ-анализ), дифференциально-термогравиметрический (ДТГ-анализ), ДТА (дифференциально-термический анализ), ДСК (дифференциальносканирующая калориметрия) и хроматография газовых смесей (ГХ-анализ).

Термогравиметрией, или термогравиметрическим анализом (ТГ) называют непрерывную регистрацию изменения массы исследуемого образца при изменении его температуры. Простейший вариант использования ТГ-анализа – определение влажности топлива, его зольности и выхода летучих веществ.

Современное аппаратурное оформление метода позволяет автоматически регистрировать в процессе нагрева образца две переменные: изменение массы и температуры. Результатом ТГ-анализа является графическая зависимость изменения массы образца от температуры (или времени) – ТГ-кривая. ТГ анализ – это метод высокой точности для изучения процесса пиролиза при известных условиях в кинетическом режиме.

ДТА-анализ – непрерывная регистрация термических эффектов (экзо- и эндотермических), которыми сопровождаются фазовые или химические превращения образца при нагреве. Тем самым, ДТА-анализ отражает химический состав и строение исследуемого образца (вещества). Для организации ДТАанализа необходимо сопоставление теплового состояния образца с эталоном – веществом, инертным к температурным воздействиям. Результаты анализа регистрируются в виде зависимости «разность температур образца и эталона».

ДТА-анализ используется для качественной оценки состава смесей, как метод фазового анализа, как метод определения кинетических и термодинамических превращений образца.

Дифференциально-сканирующей калориметрией (ДСК) называют метод непрерывной регистрации термических эффектов (экзо- и эндотермических), которыми сопровождаются фазовые или химические превращения образца при нагреве [17].

Хроматография газовых смесей (ГХ-анализ) – разделение смеси газов в слое адсорбента (вследствие различного времени прохождения каждого компонента смеси) с регистрацией количественного их содержания в детекторе – по изменению теплопроводности, или теплоты сгорания, или парамагнитных свойств, или плотности, или других специфических свойств анализируемого газа.

Научная новизна диссертационной работы:

Впервые проведен комплексный анализ разных видов древесного биотоплива, характерных для Северо-Западного региона РФ: элементный анализ, определение теплофизических характеристик, термические методы анализа (ТГ, ДТГ, ДСК) с определением кинетических характеристик процессов, морфологический и хроматографический анализы.

Комплексная методика оценки реакционной способности, базирующаяся на результатах термогравиметрического, кинетического, морфологического и газохроматографического анализов при нагревании в инертной и окислительной средах; получен банк данных по кинетическим константам процессов выхода летучих веществ, горения коксового остатка.

Результаты моделирования, позволившие определить условия теплообмена, аэродинамики, выгорания топлива, образования оксидов азота и углерода низкоэмиссионного вихревого котла Е-220/100 (ПК-10) Северодвинской ТЭЦ-1 (СТЭЦ-1), работающего на каменном угле Интинского месторождения.

Результаты, полученные при моделировании топочного процесса низкоэмиссионного вихревого котла ПК-10 при совместном сжигании каменного угля и древесного топлива в пропорции 70 % угля и 30 % опилка по тепловыделению.

Теоретическая и практическая значимость работы:

Определены методические параметры проведения экспериментальных исследований (гранулометрический состав, скорость нагрева образца, среда, омывающая испытуемый материал и ее расход), обеспечивающие кинетический режим выполнения комплексного термического анализа древесного биотоплива с целью определения его реакционной способности.

Результаты газохроматографического анализа позволили определить температурный диапазон (400-500 °С), когда компонентный состав, выделяющихся летучих веществ, обеспечивает наибольшую теплоту сгорания.

Результаты моделирования процессов аэродинамики, теплообмена, горения и образования оксидов азота в топочном устройстве низкоэмиссионного вихревого котлоагрегата при сжигании интинского каменного угля, обеспечившие удовлетворительную сходимость расчетных данных с опытными, позволяют разрабатывать оптимальные режимы эксплуатации котла и сократить время проведения режимно-наладочных работ.

Разработаны практические рекомендации по организации совместного сжигания каменного угля и древесного топлива в топке вихревого котлоагрегата при обеспечении минимальных капитальных вложений.

Методология и методы исследования.

Задачи, исследуемые в диссертационной работе, были решены путем теоретического анализа, экспериментального анализа и моделирования процессов в топочном устройстве котельного агрегата на основании данных, полученных в результате лабораторного исследования. При выполнении лабораторных исследований применялось высокотехнологичное оборудование: синхронный термоанализатор STA 449 F3 Jupiter немецкой фирмы Netzsch, хроматограф GCMSQP2010Plus (Shimadzu, Япония), оснащенный системой пиролиза EGA/PYD (Frontier Lab, Япония), электронный растровый микроскоп Zeiss Sigma VP.

Моделирование проводилось в программном комплексе SigmaFlame.

На защиту выносятся:

Методические параметры выполнения комплексного термического 1.

Загрузка...

анализа древесного биотоплива, позволяющие достоверно оценить термогравиметрические данные и кинетические характеристики процессов, ответственных за термохимическое превращение биотоплива.

Комплексный метод оценки реакционной способности древесного 2.

топлива, базирующийся на результатах термогравиметрического, кинетического, морфологического и газохроматографического анализов при нагревании в инертной и окислительной средах.

Результаты определения кинетических параметров, характеризующих 3.

процессы выхода летучих веществ и горения коксового остатка.

Результаты морфологического исследования древесных биотоплив и 4.

их коксовых остатков, влияние морфологической структуры на реакционную способность топлива.

Хроматографический анализ газовых смесей, выделяющихся в 5.

процессе термического разложения древесного биотоплива.

Результаты моделирования процессов аэродинамики, теплообмена, 6.

горения и образования оксидов азота в топочном устройстве низкоэмиссионного вихревого котлоагрегата при сжигании каменного угля Интинского месторождения, с целью разработки рекомендаций для его последующего перевода на сжигание древесного биотоплива.

Технические рекомендации по организации совместного сжигания 7.

каменного угля и древесного топлива в топке вихревого котлоагрегата при обеспечении минимальных капитальных вложений.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждаются полнотой исследовательских работ по комплексному термическому анализу разных видов ископаемых топлив и древесного топлива, сравнение полученных данных с имеющимися опубликованными данными. Достоверность данных, полученных с помощью компьютерной программы, подтверждены экспериментальными данными. Применением современного высокоточного оборудования, проходящего регулярную поверку, в соответствии с техническими требованиями.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на шестой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-6), проходившей на базе Национального Исследовательского Университета «Московский Энергетический Институт» с 27 по 31 октября 2014 года, на международной научно-практической конференции «Арктические рубежи 2015» в Университете Тромсе, 21-23 января 2015 года; на международном фестивале Энергоэффективности в Мурманском государственном техническом университете и Мурманском демонстрационном центре энергоэффективности, 25-26 февраля 2015 года. Результаты работы докладывались также на ежегодных профессорско-преподавательских конференциях в 2014, 2015 годах в Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В. Ломоносова, Архангельск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, 2 из которых в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения. Содержит 105 страниц, в том числе 16 таблиц, 30 рисунков и список литературы из 162 наименований и одного приложения.

1. СВОЙСТВА БИОТОПЛИВА И ОСОБЕННОСТИ ИХ ГОРЕНИЯ

1.1 Характеристика древесного биотоплива Биотопливо является самым древним видом топлива, однако проблема его эффективного сжигания до сих пор остается актуальной во всем мире.

Образование древесины происходит в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды за счет использования солнечной энергии. В упрощенном виде этот процесс для одного из главных компонентов древесины (целлюлозы) может быть записан в виде следующей итоговой реакции:

6nCO2 + 5nH2O (C6H10O5)n + 6nO2 Процесс фотосинтеза является каталитическим и происходит с участием хлорофилла, содержащегося в зеленых частях растений. Эндотермический процесс образования 1 кг древесины сопровождается поглощением около 2,3 МДж теплоты. Древесина состоит из ряда сложных высокомолекулярных соединений, основными из которых являются: целлюлоза (33-50 % массы абсолютно сухой древесины), лигнин (20-30 %), гемицеллюлоза (14-27 %).

Целлюлоза – природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой, пучки которых – микрофибриллы, образуют каркас стенки клетки.

Гемицеллюлозы – также природные полимеры – полисахариды, но с гораздо более короткими цепями. Лигнин – природный ароматический полимер (полифенол), определяющий способность одревесневевших клеток сопротивляться изменению формы и размера древесины. Лигнин и целлюлоза – основные факторы, влияющие на реакционную способность биотоплива во время процесса газификации и пиролиза [18-20]. Биотопливо с более высоким содержанием целлюлозы более активно, чем с высоким содержанием лигнина [18Выход летучих веществ в процессе термического разложения биотоплива можно разделить на две стадии: разложение целлюлозы и лигнина. Целлюлоза разлагается быстро в диапазоне температур от 300 до 400 °С, в то время лигнин от 250 до 500 °С [18-20].

Характеристики топлива могут быть отнесены [21]:

К рабочей массе топлива (обозначаемой индексом «r»), т.е. к топливу 1.

в том виде, в котором оно поступает к потребителю (в котельную, ТЭС и т.п.).

К аналитической массе топлива (обозначаемой индексом «»), т.е. к 2.

воздушно-сухому топливу, используемому в лаборатории при проведении лабораторных анализов.

К сухой массе (обозначаемой индексом «d»), т.е. к топливу, не 3.

содержащему влаги.

К сухой беззольной (горючей) массе (обозначаемой индексом «daf»), 4.

т.е. к условной массе топлива за вычетом массы общей влаги и золы.

Важнейшей характеристикой топлива является его элементный состав, показывающий массовое содержание отдельных элементов в соответствующей массе топлива. Из определений каждой массы топлива следуют соотношения:

Cr + Hr + Nr + Or + Srp + Sro + Ar + Wrt = 100 % C + H + N + O + Sp + So + A + W = 100 % Cd + Hd + Nd + Od + Sdp + Sdo + Ad = 100 % Cdaf + Hdaf + Ndaf + Odaf + Sdafp + Sdafo = 100 %, где C,H,N,O – массовые доли углерода, водорода, азота и кислорода в соответствующей массе топлива, %; Sp, So – массовые доли серы пиритной и органической в соответствующей массе топлива, %; А – зольность топлива, %; W

– влажность топлива, %.

Биотоплива разных пород (береза, сосна, ель, пеллеты из ели) были собраны в Архангельской области РФ. Пеллеты из ели производятся на местном лесозаводе в городе Архангельске. Данный лесозавод является крупным производителем пиломатериалов и гранулированного топлива из остатков распиловки. Годовое производство составляет 75 тысяч тонн гранулированного топлива. Пеллеты в основном производятся из хвойных пород древесины, превалирующих на Северо-Западе РФ, в основном из сосны и ели. Образцы предварительно были размолоты в шаровой мельнице (Retzsch PM 200) и затем просеяны до размеров 63-125 мкм на ситовом анализаторе (Retzsch AS 200 Control). Элементный анализ проводился на автоматическом анализаторе (Euro Vector EA-3000). Содержание С, Н, N, S замерялось, а содержание O рассчитывалось из массового баланса. Результаты представлены в таблице 1.

Содержание N и S не приведено, так как полученные значения были соизмеримы с погрешностью эксперимента.

–  –  –

Элементный анализ был проведен для абсолютно сухой массы топлива.

Влага и зольность в таблице 2 также определялась для аналитической пробы.

Сравнивая результаты элементного анализа с опубликованными данными, необходимо отметить, что элементный состав различных пород древесины (береза, ель, сосна, пеллеты из ели) имеет довольно схожие значения, немного отличаясь в содержаниях С, Н и О, что и отражено в таблице 1. Имеется довольно большое количество опубликованных работ, описывающих ТГ анализ древесного биотоплива. Большинство из них приводит элементный состав [22-23], при этом для древесины содержание углерода находится в диапазоне 45-50 %, водорода в диапазоне 5-8 % и кислорода от 30 до 40 %. Результаты, приведенные в таблице 1 хорошо согласуются с опубликованными данными.

Одной из важнейших характеристик топлива, определяющих его тепловую ценность, является теплота сгорания, характеризующая количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы топлива (для горючих газов чаще – объемной). Теплота сгорания называется высшей, если включает теплоту конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания вследствие наличия влаги в топливе и окисления водорода, содержащегося в топливе.

Низшая теплота сгорания (Qri) вычисляется по определенной в ходе опыта теплоте сгорания топлива в калориметрической бомбе (Qаб) на основе которой рассчитывается высшая теплота сгорания, кДж/кг, Qas= Qаб – (Sat + Qаб), где – коэффициент, учитывающий теплоту образования серной кислоты при окислении продуктов сгоревшей в бомбе серы Sat,%, от SO2 до SO3 и растворении последней в воде, численно равный 94 кДж на 1 % серы; – коэффициент, учитывающий теплоту образования азотной кислоты.

Теплотехнический анализ был проведен для всех образцов, характерных для Северо-Западного региона РФ. Влажность, зольность и содержание летучих веществ определялись согласно стандартным методикам ГОСТ Р 54211-2010, ГОСТ Р 54185-2010, ГОСТ Р 54184-2010 на оборудовании лаборатории термохимического анализа.

Теплота сгорания испытуемых образцов определялась с помощью калориметра IKA C 2000 Basic Version 2 с жидкостным криотермостатом LOIP FT-216-25. Результаты теплотехнического анализа приведены в таблице 2.

–  –  –

Древесное топливо по сравнению с угольным имеет более высокое содержание летучих веществ. Содержание летучих веществ на горючую массу находится в диапазоне 75-85 %. Это означает, что древесное биотопливо имеет более высокую реакционную способность. Зольность составляет менее 1 % для древесного топлива, за исключением коры. Для стволовой древесины содержание золы имеет очень небольшое значение (табл. 2).

1.2 Горение древесины Процесс горения древесины – это сложный комплекс физико-химических явлений. К основным относятся:

прогрев частицы;

1.

испарение содержащейся в ней влаги;

2.

выход и разложение сложных летучих органических соединений;

3.

горение летучих веществ;

4.

физико-химические превращения минеральной части древесины;

5.

горение нелетучего остатка.

6.

Влажное биотопливо процесс прогрева/сушка сухое биотопливо Биотопливо выход летучих веществ (смолы и газы) + древесный уголь Летучие вещества + воздух СО + СО2 (+ полиароматические углеводороды + несгоревшие углеводороды + сажа + неорганические аэрозоли) Древесный уголь + воздух СО + СО2 Летучие вещества (N, S, K и т.д.) выбросы частиц, содержащих N, S, K Древесный уголь (N, S, K и т.д.) выбросы частиц, содержащих N, S, K [23].

Твердое натуральное топливо, содержащее углерод, влагу, золу и большое количество различных углеводородных соединений, при попадании в топочную камеру и нагревании выделяет в окружающий объем влагу и летучие. В результате выделения этих составляющих остается твердый остаток – кокс, содержащий углерод и золу.

Выделение и горение летучих оказывает большое влияние на протекание горения твердого топлива, определяя условия для воспламенения и выгорания коксового остатка. Однако выгорание летучих – это быстротекущий процесс, и можно считать, что выгорание летучих занимает не более 10% общего времени выгорания частицы.

Таким образом, выгорание содержащегося в коксе углерода занимает 90% общего времени выгорания частицы твердого топлива. Зола коксового остатка не оказывает существенного влияние на выгорание углерода в этом остатке.

1.2.1 Прогрев частицы и испарение содержащейся в ней влаги Содержание влаги в биотопливе играет значительную роль в процессе горения. Обычно, свежесрубленные деревья содержат до 60 % влаги в связанном или свободном состоянии. Даже после естественной сушки содержание влаги все еще остается на уровне 10-15 %. При горении мелких частиц (мелко размолотое топливо (порошок)), частицы нагреваются очень быстро, но при этом существуют

–  –  –

– диаметр частицы, м; Сч – удельная теплоемкость частицы, кДж/(кг·К); Тч – температура частицы, К; Тг – температура дымовых газов, К; Тч0 – начальная температура частицы, К; Nu = ·/Г – критерий Нуссельта; для мелких частиц можно принять Nu = 2; Q/Qmax–отношение количества тепла, воспринятого частицей, к максимально возможному при данной температуре потока; это отношение с достаточной степенью точности можно принять равным 0,95 для определения времени максимального нагрева частицы:

–  –  –

1.2.2 Процесс выхода и горения летучих веществ Процесс выхода летучих веществ играет огромную роль в процессе пиролиза твердого биотоплива, так как в древесном биотопливе содержится 70-80 % летучих веществ от общей массы. Для древесного биотоплива процесс выхода летучих веществ начинается при температуре около 160-250 °С. В сравнении для угля около 350 °С.

Количество и структура продуктов пиролиза зависит от конечной температуры и скорости нагрева, а также от размера частиц биотоплива. Быстрый нагрев до высокой температуры приводит к большому выходу летучих веществ.

Высокие температуры влияют на состав образующихся газов, на летучие органические компоненты и на смолы. Таким образом, в процессе горения биотоплива те летучие вещества, которые выделяются во время процесса сушки разлагаются и формируют в основном СО, СО2, Н2О, вместе с СН4, Н2 и некоторыми неорганическими веществами.

Энергетический потенциал летучих веществ в биотопливе обычно составляет 70 % всей теплоты, образующейся при его горении. В сравнении для угля около 36 %. Поэтому процесс выхода летучих веществ во время горения биотоплива играет определяющую роль, а горение коксового остатка является вторичным процессом, если рассматривать тепловую эффективность процесса горения.

В процессе нагрева еще до воспламенения частицы происходит термическое разложение органической массы топлива с выделением летучих веществ. В состав этих веществ входит значительное количество горючих компонентов, таких, как например, СН4, Н2 и СО, которые в основном и определяют условия воспламенения топлива. В состав летучих входят также ценные химические вещества: смолы, кислоты и др., которые могут быть использованы при термической переработке топлива. Одной из характеристик процесса термического разложения топлива является квазистатический выход летучих, представляющий собой выход того или иного продукта термолиза при заданном температурном уровне процесса и длительной выдержке навески топлива в безкислородной среде. Однако квазистатический выход летучих может служить характеристикой процесса при относительно медленном его протекании. В случае быстрого нагрева (секунды или доли секунды) необходимо учитывать кинетику процесса выхода летучих.

Количество выделившихся продуктов зависит от их содержания в исходном материале и от скорости разрушения определенных групп связей. Для изотермических условий суммарное количество летучих V, которое может выделиться к моменту времени, составит:

V V0 Coi [1 exp(1 k i )],где (6) V0 – суммарное количество летучих веществ, которое может выделиться к моменту полного завершения процесса термолиза; i – число групп реакций, учитываемых при описании процесса термолиза; С0i – количественная характеристика определенной группы летучих, причем С01 + С02+ … + С0i =1; ki – константа скорости соответствующей реакции разложения; считаем, что она подчиняется закону Аррениуса.

Для описания термолиза чаще всего принимают одно и двухкомпонентные схемы, при этом в уравнении (6) i принимают равным 1 или 2.

Более точные результаты дает расчет по двухкомпонентной схеме, которой рекомендуется пользоваться при анализе процесса термолиза топлив, богатых летучими.

–  –  –

1.2.3 Горение коксового остатка Коксовый остаток, формируемый в процессе горения биотоплива, представляет собой от 10 % до 30 % общего веса топлива, но процесс его горения играет очень важную роль, так как во время этого процесса формируются основные выбросы в окружающую среду, а именно оксиды азота и другие неорганические вещества.

При сжигании мелкоразмолотого топлива процесс горения коксового остатка начинается раньше, чем при горении крупнокускового топлива, в конце процесса горения летучих веществ и протекает совместно с процессом выхода летучих веществ.

При сжигании неразмолотого топлива фронт реакции проходит от наружной поверхности к центру частицы. Горение коксового остатка может быть ускорено процессом диффузии выхода продуктов реакции горения летучих веществ изнутри частицы.

Коксовый остаток может содержать основную часть исходного кислорода и каталитического калия в зависимости от температуры горения биотоплива. Таким образом, горение коксового остатка при различных схемах сжигания биотоплива происходит по-разному.

Рассматривая высокотемпературное горение, можно принять упрощенное выражение для скорости реакций, исходя из первого порядка реакций по компоненту, находящемуся в недостатке.

–  –  –

1.3 Газификация и пиролиз Потребность в термохимическом синтезированном газе и жидких биотопливах сильно выросла за последние годы из-за высокой стоимости биоэтанола и биомасла, получаемых из водорослей [25]. Термохимические процессы имеют много преимуществ, таких как быстрое превращение с высоким КПД больших объемов и разных типов биомассы, включая отходы биомассы.

Газификация – один из наиболее распространенных термохимических процессов [26-27]. Реакции, протекающие в процессе газификации, имеют сложный характер, зависят как от свойств исходной биомассы, так и от условий протекания процесса газификации и к настоящему времени недостаточно исследованы [6,23,28-34]. Существует много различных типов газификаторов, от традиционных до инновационных. В случае традиционных, таких как использующих принцип кипящего слоя [6,25], большое количество биомассы периодически подается в реактор при недостаточном количестве воздуха. В зоне обогащенной окислителем идет процесс горения биомассы, при этом выделяющаяся теплота расходуется на термическую подготовку и пиролиз остальной части биомассы. Процесс термического разложения биомассы протекает более 10 минут. В случае инновационных, таких как газификаторов увеличенного потока [27], смесь пара и кислорода используется как газифицирующий агент. Исходная биомасса постоянно подается и эффективно смешивается с газифицирующим агентом. Часть биомассы сгорает для поддержания высокой температуры, а большая часть подвергается пиролизу.

Время термического разложения обычно менее 20 секунд. Реакции газификации, протекающие в аппаратах данного типа, являются очень сложными, так как процессы горения и пиролиза проходят одновременно.

Пиролиз – это процесс термического разложения биотоплива без доступа кислорода. Режим пиролиза определяющим образом влияет на выход и состав продуктов, но при прочих равных условиях выход зависит от породы перерабатываемой древесины и части дерева, подверженной пиролизу. В процессе пиролиза выделяются окись и двуокись углерода, газообразные углеводороды (предельные и непредельные), водород, вода (не только влага древесины, но и продукты химического распада ее компонентов), кислоты:

муравьиная, уксусная и, в небольшом количестве, высшие кислоты того же ряда, метанол, кетоны, эфиры. Все перечисленные вещества удаляются в форме парогазовой смеси [33]. Поэтому, изучение процесса пиролиза является очень важным для эффективного энергетического использования биотоплив.

–  –  –

(23) Ea – энергия активации процесса термического разложения твердого топлива, ккал/моль;

Р – давление (атм.).

Топливные NOX – результат взаимодействия кислорода с азотом топлива.

Известно, что топливный азот содержится в основном в летучих до 80%, хотя действительное содержание зависит от многих условий, которые до сих пор являются предметом споров. Топливный азот в газовой фазе находится в виде NCH или NH и преобразуется в результате комплекса реакций при горении в NO или N. Присутствие свободного кислорода способствует образованию NO.

В процессе газификации и горения коксового остатка происходит превращение азотосодержащих соединений в NH3 (аммиак) и в HCN (цианистоводородную кислоту).

В зависимости от схемы протекающих химические реакции этих соединений с топочными газами происходит образование NO и N2. Для детального описания этих процессов необходимо использовать модели с числом реакций более 150.

Для расчета топливных NOX в программном комплексе (далее главы 5,6) реализована модифицированная модель De Soete (G.G. De Soete, 1975), состоящая из трех глобальных реакций:

–  –  –

Рис. 1.Технологии энергетического использования древесины [2]

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ТЕМАТИКЕ ТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

АНАЛИЗОВ И ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ

АНАЛИЗОВ

Оценка возможности переработки древесных отходов показывает широкие перспективы их энергетического использования, однако существует множество факторов оказывающих определенное влияние на эффективность использования древесной биомассы. Например, влажность древесных топлив может меняться в довольно широких пределах. Это приводит к определенным трудностям при их использовании в существующих топочных устройствах. Кроме того, физикохимические и теплотехнические свойства различных видов древесной биомассы имеют некоторые отличия, поэтому знание специфических особенностей древесной биомассы позволяет обеспечить квалифицированную разработку и проведение мероприятий для экономически и экологически эффективной работы котлоагрегатов [15,16].

В связи с этим исследование процессов, протекающих при сжигании древесного топлива, изучение влияния различных факторов на эффективность его сжигания является весьма актуальной задачей. Для ее решения используют методы термического анализа.

Существуют как серийно выпускаемые уже длительное время дериватографы, так и современные синхронные термические анализаторы.

Успех исследований с помощью термического анализа во многом определяется уровнем технического оснащения. В первую очередь, это касается таких физико-химических методов, как термогравиметрический и дифференциально-термический анализ.

В настоящее время в разных странах мира производится большое количество приборов, специально предназначенных для целей термического анализа. Если первоначально отдельные фирмы специализировались на производстве одного-двух типов приборов, то в настоящее время намечается тенденция к выпуску комплексов оборудования, обеспечивающих наиболее полное исследование термохимических и теплофизических свойств самых разнообразных материалов.

По тематике термических методов анализа биотоплива существует довольно большое количество работ, так как по термогравиметрическим анализам опубликовано 1868 работ, находящихся в международных базах данных (данные Science Direct). Если рассматривать российские базы данных, то в них не так много работ, связанных с термогравиметрическими исследованиями биотоплив.

2.1 Анализ литературных источников по тематике термических методов анализа В базе данных (elibrary) 1139 работ, посвященных вопросам термогравиметрии. В основном это термогравиметрические исследования разных химических компонентов, смесей и т.д. Что касается твердых топлив, то имеется ряд опубликованных работ по термогравиметрическому и кинетическому исследованию углей Канско-Ачинского бассейна [15,17].

Целью данных работ была разработка способов и устройств для повышения эффективности энергетического использования канско-ачинских углей на основе совершенствования и внедрения комплексного метода определения реакционной способности твердых органических топлив. Также задачами данных исследований были совершенствование схемы и установки комплексного термического анализа твердого органического топлива для исследования и оценки кинетики процессов их термохимического превращения, в частности, процессов испарения влаги, выхода летучих веществ с раздельной оценкой кинетики смоловыделения и выхода индивидуальных газообразных компонентов, а также кинетики выгорания коксового остатка, обоснование рекомендаций по практическому использованию результатов комплексного термического анализа для выбора рациональных способов и режимов подготовки и сжигания канско-ачинских углей в пылевидном состоянии.

Итогом данных работ стали аналитические зависимости для экстраполяции результатов комплексного термического анализа твердого органического топлива применительно к условиям работы реальных энерготехнологических процессов и агрегатов. На основе данных комплексного термического анализа выполнено расчетное обоснование требований к организации процессов подготовки и сжигания канско-ачинских углей с учетом их исходного качества и режимов работы котельной установки. Также в работах [15,17] выполнен расчет экономической эффективности практического использования способов, режимов и устройств для предварительной термической обработки канско-ачинских углей перед использованием в технологическом цикле подготовки и сжигания твердого органического топлива на тепловой электростанции.

Активно данной тематикой занимаются в Красноярском государственном техническом университете. Но работ по исследованию биотоплив методами термического анализа: древесины разных пород, древесных гранул (пеллет), брикетов и т.д. в российских журналах недостаточно.

По тематике комплексного термического анализа в Российских журналах опубликовано 284 работы. Из них только одна работа, посвящена исследованию биотоплива в пищевой и перерабатывающей промышленности: «Комплексный термический анализ процессов термолиза древесины» [34]. Остальные работы описывают комплексный термический анализ различных металлов, процессов термохимического превращения и т.д. Российские журналы, печатающие работы по данной тематике, это «Химия твердого топлива», «Журнал прикладной химии», «Химия растительного сырья», «Лесной журнал», «Химия древесины» и др.

Таким образом, в российской технической литературе недостаточно внимания уделяется исследованиям твердых топлив методами термического анализа, особенно древесного биотоплива.

Международные журналы, печатающие работы по данной тематике это:

Journal of thermal analysis and calorimetry, Thermochimica Acta, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Fuels, Bioresource and Biotechnology, Biomass and bioenergy, Fuel processing technology. В данных журналах опубликовано много работ, описывающих термогравиметрические исследования разных типов биомассы:

шелуха риса, слоновая трава [32], артишоки, ореховая скорлупа (Areca catheu) [35], водной биомассы: микроводоросли и утиная трава [36]. Также есть работы, связанные с исследованием сырой нефти [37], биодизеля, пальмового масла и минерального дизеля [38]. Из работ по древесному биотопливу, имеются статьи по результатам термогравиметрических и кинетические исследований тополя и бука [39], плодовника и Адамового дерева [40], а также некоторых пород хвойных деревьев [19, 41]. Однако, публикаций, раскрывающих полную картину термогравиметрических и кинетических исследований разных пород древесины и древесного биотоплива в международных изданиях явно недостаточно.

2.2 Анализ приборного ряда для проведения термического анализа В работах [19, 32-41] экспериментальная часть проводилась в основном на оборудовании фирм: «Netzsch Geratebau GmbH. Selb» (Германия), «Mettler Toledo» (Швейцария), «Perkin-Elmer Instruments» (США), «Shimadzu Corporation»

(Япония), «TA Instruments» (США).

Фирма «Netzsch Geratebau GmbH. Selb» (Германия) выпускает синхронный термоанализатор STA 449 Jupiter [42], работающий в интервалах температур 25С. Регулятор температуры обеспечивает десять скоростей нагревания от 0,1 до 100 °С или от 0,1 до 10 °С/мин. Предел взвешивания – 10 г (вместе с тиглем), интервал измерения масс от 12,5 до 500 мг, точность + 0,05 мг. Для дифференциально-термического анализа чувствительность от 25 мкВ до 1 мВ.

Прибор работает при продувке через реакционную камеру инертного и реакционного газа или в вакууме до 10-3 Па. Имеется возможность присоединения приставки ЕСА для регистрации выделяющихся газов, которые потоком газаносителя направляются в катарометр термоанализатора 403 ЕТА, основанного на определении радиоактивных атомов газа.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«Валеев Рустам Галимянович ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ Специальность 05.26.01 «Охрана труда (электроэнергетика)» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор...»

«ТАВАРОВ САИДЖОН ШИРАЛИЕВИЧ ЗАЩИТА ЛИНЕЙНОГО ПЕРСОНАЛА, ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ НАПРЯЖЕНИЕМ 500 кВ В РЕСПУБЛИКЕ ТАДЖИКИСТАН Специальность 05.26.01 – «Охрана труда (электроэнергетика)» ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«Зайцев Павел Александрович Средства температурного контроля для современных ЯЭУ Специальность – 05.14.03«Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«Валеев Рустам Галимянович ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В ПРИ ОДНОФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ Специальность 05.26.01 «Охрана труда (электроэнергетика)» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор...»

«ГАМИДОВ Санан Салех оглы ВНЕШНЯЯ ПОЛИТИКА СОВРЕМЕННОГО АЗЕРБАЙДЖАНА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ Диссертация на соискание ученой степени кандидата политических наук по специальности 23.00.04 Политические проблемы международных отношений, глобального и регионального развития.Научный руководитель: доктор политических наук, профессор Р.Х. Усманов Астрахань – 20 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.. ГЛАВА I. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.