Псевдоожижение и сжигание биотоплива в многокомпонентных слоях

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.

Ученый 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

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