Повышение эффективности энергетического использования древесных отходов

На правах рукописи

Тимербаев Наиль Фарилович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет».

Научный руководитель	–	доктор технических наук, профессор Сафин Рушан Гареевич;
Официальные оппоненты:	– –	доктор технических наук, профессор Зайцев Виктор Александрович доктор технических наук, профессор Авдюнин Евгений Геннадьевич
Ведущая организация	–	Волжско-Камский научно-исследовательский институт лесной промышленности (ВКНИИЛП)

Защита диссертации состоится 4 июля 2007 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново пр. Ф.Энгельса 7, ауд. Г-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета.

Автореферат разослан 31 мая 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, профессор Г.А. Зуева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Основной движущей силой современной цивилизации являются энергоносители. Традиционно в промышленности используются такие энергоносители как нефтепродукты, газ и уголь. Однако цены на традиционные энергоносители за последние несколько лет на Мировом рынке выросли более чем в 2,5 раза, что обусловило необходимость более широкого использования возобновляемых источников энергии, одним из которых является древесная биомасса. В большинстве Европейских стран реализуются программы по переводу энергетики на использование альтернативных видов топлива. Наиболее актуальным в данном аспекте видится использование биотоплива, и в частности древесины, как основного вида возобновляемых энергетических ресурсов. Ее использование позволит: во-первых, решить проблему утилизации древесных отходов на деревообрабатывающих предприятиях, во-вторых, получать дешевую энергию, в-третьих, снизить количество экологически вредных выбросов в атмосферу, так как выделяющийся при сгорании древесного топлива углекислый газ повторно используется в процессе прироста биомассы и не нарушает естественного баланса углекислого газа в атмосфере земли. Одной из важнейших задач развития Российской энергетики, является частичная замена ископаемого топлива на возобновляемые ресурсы, что в свете Киотского протокола и квот на выбросы углекислого газа выглядит весьма целесообразным.

Оценка возможности переработки древесных отходов показывает широкие перспективы их энергетического использования. Однако количество влажной древесины в общей массе древесных отходов достигает 70%, что приводит к определенным трудностям при использовании ее в качестве топлива в существующих топочных устройствах. Это вызвано тем, что повышенная влажность снижает эффективность процесса горения, увеличивает объем и токсичность образующихся дымовых газов.

В связи с этим исследование процессов, протекающих при сжигании древесного топлива, разработка методов расчета оборудования и режимных параметров энергетического использования влажных древесных отходов, усовершенствование существующих топочных устройств и процессов, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с постановлением Правительства РФ от 24 января 1998г. № 80 «О федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998 – 2005 годы»»

Цель работы состоит в разработке методов расчета и аппаратурного оформления процесса термической переработки высоковлажных древесных отходов.

В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Совершенствование схемы процесса энергетического использования древесного сырья.

2. Разработка методики расчета установки для энергетического использования древесного сырья с эффективной схемой предварительной подготовки топлива.

3. Математическое моделирование технологического процесса предварительной сушки древесных отходов отходящими топочными газами котельного агрегата.

4. Разработка промышленной установки.

Научная новизна.

• Предложена усовершенствованная технологическая схема термической переработки влажных древесных отходов, позволившая увеличить эффективность их энергетического использования, а также снизить выделение токсичных веществ в окружающую среду.
• Впервые разработана обобщенная методика расчета предложенной технологической схемы, которая учитывает взаимосвязь процесса предварительной сушки с процессом сжигания древесных отходов.
• Разработан моделирующий алгоритм, позволяющий определить эффективную высоту слоя топлива в сушильном бункере в зависимости от свойств древесных отходов.
• Разработан экспериментальный стенд для исследования совмещенных процессов сжигания и сушки влажных древесных отходов, в котором применены современные средства регистрации и обработки данных. (Патент РФ № 2274851)

Практическая ценность. На основе результатов проведенных исследований и моделирования процесса термической переработки, разработана инженерная методика расчета установки для сжигания влажных древесных отходов с использованием бросового тепла отработанных топочных газов.

Создана установка для термической переработки влажных древесных отходов. Использование данной установки позволяет повысить эффективность сжигания древесных отходов на 15-30 %, и обеспечивает комплексное использование сырьевых ресурсов на предприятии.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при создании методики расчета и при проектировании промышленной установки для термической переработки влажных древесных отходов, а также в учебном процессе на базе экспериментального стенда для изучения совмещенных процессов сжигания и сушки древесных частиц. Промышленная установка внедрена на ЗАО «Ласкрафт», с годовым экономическим эффектом в размере 380 тыс. руб. Использование созданного экспериментального стенда в учебном процессе позволяет студентам в ходе практических занятий по дисциплине «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств» осуществлять всестороннее изучение процессов горения и сушки древесины.

Автор защищает:

1. Предложенную технологическую схему установки для сжигания влажных древесных отходов.
2. Методику расчета рациональных параметров установки для сжигания влажных древесных отходов.
3. Результаты математического моделирования и экспериментального исследования.
4. Конструкцию экспериментального стенда для исследования взаимосвязанных процессов горения и сушки влажных древесных отходов.
5. Конструкцию промышленной установки для эффективного сжигания влажных древесных отходов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях КГТУ (Казань, 2004-07), Международной конференции «ММТТ-18» (Казань, 2005), III Республиканской школе студентов и аспирантов “ЖИТЬ В XXI ВЕКЕ” (Казань, 2004), Международных симпозиумах «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2005-06), научно практической конференции « Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов» (Казань, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы- проблемы и решения» (Красноярск, 2006).

Технология и конструкция установки для термической переработки древесных отходов отмечена дипломами на III международной специализированной выставке «Нефтепереработка, нефтехимия, экология, энергетика» и 2-ом экологическом форуме «Человек. Природа. Наука. Техника».

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них 2 статьи и 3 патента РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 116 страницах машинописного текста.

На всех этапах работы в качестве научного консультанта активное участие принимал кандидат технических наук, доцент Грачев А.Н.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены основы теории сжигания древесного топлива. Дан анализ современного состояния процесса сжигания биомассы, используемых для данных целей конструкций топочных устройств, а также приведен обзор используемых методов повышения эффективности топочных процессов. Установлено, что одним из наиболее эффективных направлений в области усовершенствования топочных процессов является предварительная подготовка топлива, а именно снижение его рабочей влажности. В существующих конструкциях топочных устройств, сушка влажного топлива осуществляется, как правило, на колосниковой решетке, что приводит к понижению концентрации реагирующих веществ в области гомогенного горения и снижает эффективность процесса горения.

Анализ литературных данных позволил сделать вывод о том, что существует потенциальная возможность использования тепла отходящих топочных газов для предварительной сушки влажного древесного топлива, с целью улучшения его характеристик.

Однако, в связи с отсутствием известных методов реализации предлагаемого технологического решения в данной работе на базе современных представлений о процессе сжигания древесной массы, конвективном тепломассообмене, протекающем при сушке древесины в высокотемпературных средах, а также сорбционно-кинетических, тепловых и массопроводных свойствах древесины, ставится задача исследования и совершенствования процесса сжигания высоковлажных древесных отходов, путем их сушки отходящими топочными газами котельного агрегата.

Во второй главе приводятся физическая картина и результаты теоретических исследований процесса термической переработки высоковлажных древесных отходов с предварительной сушкой топочными газами.

Схема процесса представлена на рисунке 1. Процесс состоит из трех основных стадий: сушки топлива, его сжигания, и утилизации образовавшегося тепла в котле. Все эти процессы имеют жесткую взаимосвязь, и при составлении методики расчета рассматривались в совокупности. Соответственно методика расчета включает в себя: математическое описание процесса сушки древесных отходов топочными газами в противоточном слое, задачей которого является определение эффективной высоты слоя материала в сушильном бункере; математическое описание процесса сжигания топлива в топке; описание теплообменных процессов протекающих в котле.

Рис 1. Схема процесса термической переработки древесных отходов с предварительной сушкой отработанными топочными газами

При прохождении топочного газа сквозь слой дисперсного материала в сушильном бункере, вследствие тепло-массообмена, происходит изменение влагосодержания и температуры топочного газа по высоте слоя, которые можно определить из уравнений материального и теплового балансов записанных в следующем виде:

,	(1)
.	(2)

Одновременно с этими процессами вследствие тепломассопроводности происходит изменение влажности и температуры внутри древесной частицы, которые в условиях сушильного бункера, при отсутствии общего градиента давления и фазовых превращений внутри древесной частицы, можно определить с помощью системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса:

,	(3)
.	(4)

Начальные условия для выражений (1)-(4) запишутся в виде:

Xг(0) =Xгк	(5)
Tг(0) =Тгк	(6)
	(7)
.	(8)

Влагосодержание топочного газа Xгк на выходе из сушильного бункера можно определить из выражения материального баланса процесса сушки:

.

(9)

Температура Тгк топочного газа на выходе из сушильного бункера определяется из технологических соображений при заданной степени насыщения топочного газа водяными парами. Для этого необходимо решить уравнение

(10)

относительно температуры при заданной относительной влажности , где давление насыщения можно определить с помощью уравнения:

(11)

Граничные условия для выражений (3), (4) запишутся в виде: на поверхности частицы:

,	(12)
	(13)

в центре частицы при условии симметрии:

(14)

Равновесное влагосодержание древесины Up в зависимости от температуры и относительной влажности топочного газа можно определить из уравнения:

,

(15)

где предел гигроскопичности для древесины Uпг в зависимости от температуры определяется соотношением:

.

(16)

Теплоту парообразования в граничном условии (13) в зависимости от температуры древесины можно определить выражением:

.

(17)

Объем образовавшихся влажных топочных газов определяется из уравнений материального баланса процесса горения древесины:

V= V+V+V+(-1)V0;

(18)