автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Гидродинамика псевдоожиженного слоя и ее влияние на эффективность и экологичность процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул

00305В771

На правах рукописи

МИХАЛЕВ Александр Валерьевич

ГИДРОДИНАМИКА ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЦЕССА СОВМЕСТНОГО СЖИГАНИЯ АНТРАЦИТОВОГО ШТЫБА И БИОГРАНУЛ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий 05.14.04 — Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2007

003056771

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Кузьмин Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рудобашта Станислав Павлович

доктор технических наук, профессор Печенегов Юрий Яковлевич

Ведущая организация ОАО «Объединение ВНИПИЭнергопром»,

г. Москва

Защита диссертации состоится « » ¿Ь^Т^и*^ 2007 г. в */^>~часов на заседании диссертационного совета Д 212.26002 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат размещен на официальном сайте ТГТУ - www.tstu.ru.

Автореферат разослан «¿3» ^М^О/Ути^ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

В.М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Стремление сохранить известные преимущества процесса псевдоожижения (большая поверхность взаимодействия твердых частиц с газом, малые градиенты температур в объеме слоя, высокая интенсивность теплообмена слоя с погруженными в него поверхностями и др.) при химической, термической и механической обработке крупнозернистых и гранулированных материалов, псевдоожижение которых обычно требует высоких скоростей газа и сопровождается низким выходом целевого продукта из-за плохих условий взаимодействия между твердой и газовой фазами слоя, привело к появлению нового способа псевдоожижения, когда крупные частицы псевдоожижаются в слое более мелких частиц. Варьируя размеры и плотность мелких частиц, удается избежать сегрегации в псевдоожиженном слое частиц по плотности и размерам, т.е. достичь совместного псевдоожижения мелких и крупных частиц, когда крупные и тяжелые частицы свободно перемешиваются в объеме слоя, переходя в псев-доожиженное состояние при скорости газа в несколько раз меньшей, чем требовалось для частиц крупной фракции в отдельности.

В плане практического использования указанный способ совместного псевдоожижения мелких и крупных частиц был предложен для сушки и замораживания пищевых продуктов в псевдоожиженном слое мелких инертных частиц, а исследования гидродинамики процесса проводились только при совместном псевдоожижении двух и более монодисперсных фракций частиц.

В то же время процесс совместного псевдоожижения может быть использован для организации совместного сжигания мелкозернистых углей (к примеру, антрацитового штыба) и биогранул, производство которых из сельскохозяйственных или древесных отходов расширяется как в России, так и за рубежом.

Настоящая работа выполнялась в этом актуальном направлении в рамках государственного контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям РФ № 02.442.11.7550 по теме 2006-РИ-19.0/001.715 «Проведение научных исследований молодыми учеными. Энергосберегающие технологии сжигания низкосортного топлива и биомассы с применением разработанной автономной теплогенерирующей установки», 2006 г.

Предыдущие исследования, выполненные в Тамбовском государственном техническом университете, позволили определить оптимальные параметры процесса сжигания антрацитового штыба в высокотемпературном кипящем (псевдоожиженном) слое, в печах небольших технологических установок в химической промышленности и топках котлов в коммунальной и промышленной энергетике. Однако при сжигании штыба по разработанной технологии высока эмиссия оксидов серы и азота в атмосферу. Одним из эффективных способов снижения эмиссии загрязняющих

компонентов в атмосферу (в том числе диоксида углерода и золы) является совместное сжигание низкосортных углей (в том числе и антрацитового штыба) и биомассы. Реализация такой технологии особенно привлекательна для южных регионов РФ, где образуются значительные невостребованные объемы биомассы в виде лузги подсолнечника, риса, проса, гречихи, соломы и т.п., из которых возможно производство топливных гранул высокими насыпной плотности и теплотой сгорания.

Анализ литературных данных показал, что отсутствуют сведения не только об оптимальных параметрах процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожижен-ном слое, но и не исследованы процессы совместного псевдоожижения штыба и гранул, тогда как эти два компонента топливной смеси сильно отличаются размерами и формой составляющих их частиц. Отсутствуют аналитические или эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать минимальную скорость псевдоожижения топливной смеси, а также учитывать изменение этой скорости с изменением температуры псевдо-ожижающего газа (здесь под минимальной скоростью псевдоожижения понимается то минимальное значение скорости воздуха, отнесенное к поперечному сечению аппарата с псевдоожиженным слоем, при котором весь полидисперсный слой переходит в псевдоожиженное состояние). Не определены также оптимальные составы сжигаемой топливной смеси антрацитового штыба и биогранул как с точки зрения эффективности процесса сжигания, так и с точки зрения минимальной эмиссии в атмосферу оксида углерода, оксидов серы и азота.

Целью работы является исследование особенностей гидродинамики псевдоожиженного слоя антрацитового штыба и биогранул и влияния этих особенностей на процесс совместного сжигания этих топлив в топочных устройствах печей химических производств и котельных установок малой мощности.

В соответствии с указанной целью задачами исследования являются:

1. Исследование процесса перехода в псевдоожиженное состояние смеси, состоящей из антрацитового штыба и гранул, изготовленных из лузги подсолнечника, в зависимости от концентрации биогранул в смеси.

2. Получение расчетных зависимостей для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц, состоящей из антрацитового штыба и биогранул.

3. Исследование процесса совместного горения указанных выше биогранул и антрацитового штыба в высокотемпературном кипящем слое в топке промышленного котла со стационарной воздухораспределительной решеткой с периодической ручной подачей топлива, для оценки скорости горения топливной смеси и эмиссии оксидов серы, азота и диоксида углерода.

Научная новизна. Впервые экспериментально исследован процесс совместного псевдоожижения антрацитового пггыба и биогранул - частиц,

резко отличающихся друг от друга по форме и размерам — применительно к процессу их совместного сжигания в топке с высокотемпературным псевдоожиженным слоем. Определены предельные концентрации биогранул в их смеси со штыбом, обеспечивающие стабильность процесса псевдоожижения и максимальную эффективность процесса совместного горения штыба и биогранул при минимальной эмиссии диоксида серы и азота в атмосферу.

Получена аналитическая зависимость для расчета минимальной скорости совместного псевдоожижения двух полидисперсных смесей частиц, резко отличающихся по форме и размерам, при турбулентном обтекании частиц псевдоожижающим газом.

Практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы научно-исследовательскими и проектно-технологическими организациями, занимающимися разработкой и модернизацией топок печей и нагревательных устройств малотоннажных производств химической промышленности, а также котлов и котельных коммунальной и промышленной энергетики.

Результаты работы реализованы при реконструкции коммунальной котельной в Инжавинском районе Тамбовской области (МОУ СОШ № 1) за счет замены антрацита класса «семечко» на смесь антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, получен годовой экономический эффект 245 920 рублей (в ценах 2005 г.).

Предложена конструкция водогрейного котла (получен Евразийский Патент № 006130 от 27.10.05 г.), предназначенного для сжигания в псевдо-ожиженном слое мелкозернистого твердого топлива, в том числе смеси антрацитового штыба и биогранул.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: 2nd World Conference on Pellets, Jonkoping, Sweden, 30 May -1 June 2006 (Второй Всемирной конференции по пеллетам, Швеция, Йон-чепинг, 30 мая - 1 июня 2006 г.), 19 International Conference on Fluidized Bed Combustion, Vienna, Austria, May 21 - 24, 2006 (19-й Международной конференции по сжиганию в псевдоожиженном слое, Вена, Австрия, 21 -24 мая 2006 г.), Swedish-Finnish Flame Days 2005, Boras, Sweden, October 18 - 19, 2005 (Международной конференции «Шведско-Финские дни пламени», Бурое, Швеция, 18-19 октября 2005 г., IV Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», Киев, Украина, 26-30 сентября 2005 г., Второй в Украине международной конференции «Энергия из биомассы», Киев, Украина, 20 - 22 сентября 2004 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 6 печатных работах, в том числе 3 статьях в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Объем диссертационной работы составляет 105 страниц машинопис-

ного текста, содержит 20 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 92 наименования. Приложение содержит бизнес-план по модернизации существующих угольных котельных и акты внедрения результатов диссертационной работы автора на промышленных предприятиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика содержания диссертационной работы, формулируются цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе работы дан обзор современных представлений о процессе совместного псевдоожижения полидисперсных систем частиц разного размера и плотности, в том числе о существующих аналитических и эмпирических зависимостях для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсных систем частиц, представлен анализ существующих видов биомассы и технологий совместного сжигания углей и разных видов биомассы, сделан вывод о необходимости осуществления такого сжигания в псевдоожиженном слое с точки зрения максимальной эффективности и надежности и экологической безопасности процесса.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе представлены методика проведения экспериментов по исследованию процесса совместного псевдоожижения частиц антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника на «холодной модели» (при комнатной температуре), и процессов совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в топке промышленного котла мощностью 300 кВт, конструкция которого разработана в результате предыдущих исследований, проводимых в Тамбовском государственном техническом университете. Исследования на «холодной модели» проведены в аппарате с прозрачными стенками, сечением 483 х 195 мм и высотой 1500 мм. Аппарат снабжен перфорированной воздухораспределительной решеткой (с долей «живого сечения» 5 %). Перепад давления в слое измерялся дифференциальным микроманометром ММ-1. Скорость воздуха, отнесенная к сечению пустого аппарата, измерялась с помощью термоанемометра «Testo 405 VI».

В слой последовательно загружались порции частиц, содержащих 20, 40, 50, 60 и 100 % биогранул и 80, 60, 50 и 40 % антрацитового штыба соответственно. Вес частиц, загружаемых в аппарат, был постоянен и равен 5700 г. После загрузки порции частиц в аппарат включалась воздуходувка и слой частиц переводился в псевдоожиженное состояние. Постепенно увеличивая расход воздуха, измерялся перепад давления в слое и высота расширившегося слоя.

Исследования процессов совместного сжигания штыба и гранул проведены на промышленном котле, схема которого представлена на рис. 1.

б

В промышленном котле площадь поперечного сечения слоя была равна 0,452 м2. Диаметр жаровой трубы котла был равен 1100 мм, длина жаровой трубы — 1200 мм, доля «живого» сечения воздухораспределительной ре-

Рис. 1. Схема котла, на котором проводились эксперименты:

1 - корпус котла; 2 - жаровая труба; 3 - устройство ввода дутьевого воздуха под слой топлива; 4 - короткие дымогарные трубы; 5 - длинные дымогарные трубы; б - псевдоожиженный слой; 7 - передняя дымовая коробка; 8 - задняя дымовая коробка; 9 - дверка топки котла; В - место отбора проб дымовых газов

Перед началом опытов готовились топливные смеси указанного выше состава. Биогранулы при подготовке смесей не измельчались.

Котел работал в номинальном режиме, при этом в его топке поочередно сжигались топливные смеси указанного выше состава. Порции топлива забрасывались в топку котла вручную через дверцу. Топливо забрасывалось на слой шлака и золы, оставшиеся от прогорания предыдущей порции. Заброс производили при отключенном дутьевом вентиляторе, после чего вентилятор включали и слой переходил в псевдоожиженное состояние. При переходе на сжигание топливной смеси другого состава из котла полностью удалялась зола и шлак, а котел разжигался вновь. После заброса порции топлива через каждые 60 с определялись температура и содержание в уходящих газах 02, С02, СО, N02, $02. Определение химического состава и температуры дымовых газов проводилось в задней дымовой коробке (рис. 1, поз. 8) котла после прохода газов по коротким дымогарным трубам (рис. 1, поз. 4). Концентрации указанных компонентов измерялись с помощью газоанализатора «Газотест».

Время горения штыба оценивалось по изменению концентрации кислорода в дымовых газах. Считалось, что горение порции топлива завершилось, если концентрация кислорода в дымовых газах достигала того значения, которое было перед началом опыта.

В третьей главе изложены результаты исследования процесса совместного псевдоожижения и сжигания частиц антрацитового штыба и биогранул. Характеристики этих материалов представлены в табл. 1.

1. Характеристики частиц антрацитового штыба и биогранул

Характеристики топлив Антрацитовый штыб Гранулы из лузги подсолнечника

Теплота сгорания, МДж/кг 20,9 18,46

Зольность, % 27,9 5,4

Влажность, % 8,5 7,7

Выход летучих веществ, % 4,0 67,9

Содержание серы, % 1,25 од

Плотность частиц топлива, кг/м3 1400 1300

Характеристики фракционного

состава:

сита, мм - массовая доля, %

0-0,5 0,5 -1,0 1,0-2,0 5,9 11,4 27,3 Средний диаметр -12 мм, средняя длина -12,5 мм

2,0-4,0 35,3

4,0-6,0 18,5

>6,0 1,6

Содержание углерода, % 57,8 46,2

Содержание водорода, % 1,2 5,5

Содержание азота, % 0,6 0,7

Содержание кислорода, % 1,3 34,4

Содержание хлора, % 0,1 0Д2

В результате исследований на «холодной модели» установлено, что слой антрацитового штыба переходит в псевдоожиженное состояние при скорости воздуха равной 1,0 м/с, что в 2,37 раза меньше скорости псевдоожижения слоя биогранул. В слое, состоящем из смеси частиц штыба и биогранул, псевдоожижение штыба начинается до того, как во взвешенное состояние перейдут биогранулы. Со снижением концентрации биогранул в смеси значения минимальной скорости псевдоожижения уменьшаются, приближаясь в пределе к минимальной скорости псевдоожижения одного только штыба (рис. 2, табл. 2).

В результате обработки экспериментальных данных были рассчитаны значения порозности слоя указанного ранее состава в зависимости от скорости псевдоожижающего воздуха и значения коэффициента сопротивления слоя, причем значения последнего рассчитывались по известному уравнению:

% = (Еи24,)/# = (ДР2с?э)/[р (¿Уу /Е)2//].

Рис. 2. Значения перепада давления в слое в зависимости от скорости воздуха и состава смеси

2. Гидродинамические характеристики слоя, состоящего из смеси штыба и биогранул, при его переходе в псевдоожиженное состояние

Содержание биогранул в смеси, % 20 40 50 60 80 100

Скорость воздуха при переходе слоя в псевдоожиженное состояние, м/с 1,33 1,53 1,87 2,07 2,27 2,43

Коэффициент сопротивления слоя при его переходе в псевдоожиженное состояние, £ 45,27 27,97 18,81 15,57 11,48 11,85

Порозность слоя в момент начала его псевдоожижения, гтГ 0,335 0,364 0,423 0,558 0,55 0,544

Процесс перехода в псевдоожиженное состояние смеси гранул и штыба зависит от содержания биогранул в смеси. При концентрации до 60 % возможно совместное псевдоожижение штыба и гранул, когда гранулы свободно перемещаются в псевдоожиженном слое штыба. При этом до

перехода в псевдоожиженное состояние гранул коэффициент сопротивления слоя либо не меняется, либо меняется слабо. После же перехода в псевдоожиженное состояние биогранул коэффициент сопротивления слоя начинает резко уменьшаться. При концентрации биогранул в смеси 80 % и выше коэффициент сопротивления слоя монотонно снижается с ростом скорости воздуха. Это происходит потому, что штыб выдувается из слоя гранул и псевдоожижается, как показывают визуальные наблюдения, отдельно от гранул в верхней части слоя. Гранулы в этом случае не оказывают сопротивления перемещению частиц штыба, поэтому общее сопротивление слоя оказывается ниже, чем в случае, когда гранулы и штыб псевдоожижаются совместно (рис. 2). В слое, содержащем штыб и гранулы, псевдоожижение штыба начинается до перехода гранул в псевдоожиженное состояние, что отражается в виде пологой кривой зависимости перепада давления в таком слое от скорости газа с небольшим максимумом в точке, соответствующей переходу гранул в псевдоожиженное состояние. При псевдоожижении одних только гранул имеет место классическая кривая зависимости перепада давления в слое от скорости газа с резким пиком в точке, соответствующей переходу слоя гранул в псевдоожиженное состояние.

Как видно из табл. 2, порозность слоя в момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние возрастает с увеличением доли биогранул, достигает максимума при концентрации биогранул равной 60 %, а затем практически не меняется.

Приведенные данные о влиянии порозности на процесс совместного псевдоожижения частиц разных размеров подтверждаются известными из литературы экспериментальными данными: чем выше порозность полидисперсного псевдоожиженного слоя, тем более отчетливо наблюдается процесс сепарации крупных и мелких частиц, причем существует такое критическое значение порозности, ниже которой сепарация не наблюдается.

По результатам эксперимента была рассчитана «истинная» скорость воздуха (скорость воздуха в просветах между частицами слоя) Uf = Uf/e.

Начало псевдоожижения всего слоя происходит при примерно одном и том же значении Ut = 3,97 м/с при х = 0,2; 4,2 м/с при'* = 0,4; 4,42 м/с при х = 0,5; 4,13 м/с при х = 0,8; 4,47 м/с при х= 1,0. Это позволяет предположить, что псевдоожижение биогранул в слое антрацитового штыба происходит не за счет вязкости воздуха или вязкости суспензии штыб - воздух, а за счет кинетической энергии воздушного потока, движущегося в просветах между частицами слоя.

Для расчета минимальной скорости псевдоожижения по аналогии с [Rowe P.N., Nienow A.W. Minimum Fluidization Velocity of Multi — Component Particle Mixture // Chemical Engineering Science. 1975. No. 8. Vol. 30. P. 1365 - 1369] будем определять перепад давления при течении газа через пористую среду по базовой зависимости:

dP/dh = Ар/Сцу/р/)2""(Uf/s)"[S(l - eye]2-", (1)

где 5 — удельная поверхность частиц (поверхность частиц слоя, приходящаяся на единицу его объема).

Интегрирование выражения (1) по высоте слоя Н приводит к выражению:

ДР/Н= kpf(\if/pj)2-"(Uf/e)n[S(\ - е)/е]2~" (2)

В момент начала псевдоожижения имеем:

A/V#=(Pj-P/)(l-eok. (3)

Это приводит к следующему выражению для минимальной скорости псевдоожижения:

U0 = к~ш[(р, - pj)lpjtb4l9f)l~2'ns%^yi{\ - е0)2-TV -3". (4)

Для частиц антрацитового штыба удельная поверхность S = 6/FLd\, причем Fi = 0,67. Для гранул цилиндрической формы, имеющих диаметр d и длину /, удельная поверхность будет равна:

52 = (б/дез + (1/зх</2//2)]. (5)

В нашем случае длина гранул равна их диаметру (см. табл. 1), поэтому удельная поверхность таких гранул будет равна S = 6/d2.

В таком случае выражение для S примет вид:

S = (6/</,)[(х, + (¿W2F,>2]. (6)

При этом важно, что для использования полученного соотношения (6) не требуется определять условный эквивалентный диаметр смеси частиц штыба и гранул. Поскольку частицы штыба и гранул значительно отличаются по размерам, расчеты эквивалентного диаметра смеси по известным зависимостям дают сильно заниженные результаты.

Для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц предложена формула для сферических частиц:

С/0 = ^{(so/sO'Kl -е,)/(1 -во)]2""}1'"^, +(dl/d2)x2 + (7)

которая с учетом выражения (6) для двухкомпонентной смеси частиц штыба и биогранул может быть преобразована к виду:

U0 = t/i{(e0/si)3[(l - е0/(1 - So)]2"} lln[(xi/F\) +{dlld1)x2 ]13/". (8)

Для крупных частиц, которые рассматриваются в настоящем исследовании, 1/0 ~ et'5, показатель степени в выражении (8) получен равным

1 — 3/« = — 0,5, т.е. и = 2.

Тогда уравнение (8) примет вид:

Uo~ £/, {(Ео/е,)3} "'[x./F, + (¿,/4)Х2 Г0'5- (9)

Порозность слоя, состоящего из одного антрацитового штыба, может быть легко определена в случае, если известна насыпная плотность штыба:

е, = 1-р1*/р1. 0°)

Порозность слоя, состоящего из смеси частиц антрацитового штыба и биогранул, может быть рассчитана следующим образом.

Пусть насыпная плотность смеси частиц р равна сумме насыпных плотностей составляющих эту смесь компонентов с учетом их массовой доли:

Рь =*1Р1 + *2р2 О1)

ИЛИ

р (1 - Ео) = *!(1 - еОР1 + х2{\ - Е2)р2. (12)

Если плотности составляющих смесь частиц равны друг другу или близки (как в случае антрацитового штыба и биогранул), то выражение (12) примет вид:

1-8о=*1(1-Е1)+*2(1-б2) (13)

или

ео = 1-[*1(1-Е1) + *2(1-Е2)]. (14)

Используя совместно выражения (9) и (14), можно определить минимальную скорость псевдоожижения смеси частиц антрацитового штыба и биогранул. Предложенные зависимости можно использовать и для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси других крупных частиц.

Рассчитанные по уравнениям (9) и (14) и измеренные значения пороз-ности и минимальной скорости псевдоожижения смеси в зависимости от ее состава приведены в табл. 3.

Полученные в ходе экспериментов или рассчитанные по зависимостям (9 - 14) значения минимальной скорости псевдоожижения смеси антрацитового штыба и биогранул при комнатной температуре необходимо пересчитать на ту температуру среды, которая будет реально наблюдаться в топке с высокотемпературным псевдоожиженным слоем, например 730 °С, при которой, как показывают эксперименты, происходит воспламенение антрацитового штыба в псевдоожиженном слое.

3. Сопоставление измеренных и рассчитанных значений минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц антрацитового штыба и биогранул в зависимости от концентрации последних

0,2 0,4 0,5 0,6 0,8

Расчет С/о, м/с, по зависимостям (9) и (14) 1,17 1,49 1,65 1,85 2,39

Эксперимент, £/0, м/с 1,33 1,53 1,87 2,07 2,27

Расчет Ео по зависимости (13) 0,379 0,385 0,441 0,462 0,503

Эксперимент, е0 0,335 0,364 0,423 0,558 0,55

Для определения минимальной скорости псевдоожижения известное уравнение Эргана может быть преобразовано к виду.

l,75C,(Rem/)2 + 150C2Rem/= Ar, (15)

где С, = [1/ф, e3m/], С2 = (1 -еи/)/[ф? е^].

На основании данных более чем 250-ти экспериментов со слоями частиц разного размера, плотности и псевдоожижаемых разными газами в работе (Pattipati Ranga R., Wen C.Y. Minimum Fluidization Velocity at High Temperature // Industrial & Engineering Chemistry Process Desing and Development. 1981. No. 4. Vol. 20. P. 795 - 797) сделан вывод, что Ci ~ 14, a C2 ~ 11. Далее считают, что для мелких частиц (Remy мало) первый член в левой части уравнения (15) мал и 150C2Rem/= Ar или \iUmf= const. Вязкость газа увеличивается с ростом температуры и {/„/ с ростом температуры псевдоожижающего газа уменьшается. Для крупных частиц (Rem/ к и 500... 1000) первый член в левой части уравнения (15) превосходит значительно второй член и

l,75(Rem/)2 = Ar или p(Umj)2 = const. (16)

С ростом температуры плотность псевдоожижающего газа снижается, а минимальная скорость псевдоожижения растет. Зная значение Umf и плотность псевдоожижающего газа при комнатной температуре, можно найти значение константы в уравнении (16), а зная плотность псевдоожижающего газа при интересующей нас температуре - значение Umf при данной температуре.

В табл. 4 представлены результаты расчета константы в уравнении (16), значения U0 для различного состава смеси при температуре псевдоожижающего газа 1000 °С и значения скорости газов в сечении псевдо-ожиженного слоя в топке котла при указанной температуре.

Как видно из этой таблицы, псевдоожижение смеси штыба и биогранул при температуре псевдоожижающего газа 1000 °С возможно при концентрации биогранул в смеси не более 40 %.

4. Расчетные характеристики слоя частиц штыба и биогранул при температуре 1000 °С

0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0

Значение константы в уравнении (16) 2,282 3,02 4,51 5,528 6,647 7,617

С/0 (при 1000 °С), м/с 2,67 3,07 3,75 4,15 4,56 4,87

Скорость газа в слое, м/с 3,41 3,23 3,15 3,11 3,0 2,89

Опыты по совместному сжиганию антрацитового штыба и биогранул в топке с псевдоожиженным слоем промышленного котла подтвердили сделанные ранее выводы. Кривые изменения концентрации кислорода в дымовых газах представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, при сжигании одного антрацитового штыба после подачи свежей порции топлива в течение примерно 300 с концентрация кислорода в дымовых газах не меняется, оставаясь на довольно высоком уровне (14,5 %), который был после чистки топки от золы и шлака, оставшихся от сжигания предыдущей порции топлива. Очевидно, что в этот период времени протекает процесс сушки и прогрева штыба, т.е. процесс подготовки штыба к воспламенению. Затем концентрация кислорода падает, т.е. начинается процесс горения штыба. Достигнув своего минимального значения, концентрация кислорода начинает вновь расти по мере выгорания порции топлива и достигает своего исходного значения при завершении процесса горения топлива. Весь процесс горения порции антрацитового штыба в топке котла нашей конструкции занимает 650 с. При сжигании смеси антрацитового штыба и биогранул процессы протекают аналогично описанным выше, но значительно быстрее. При добавлении к штыбу биогранул происходит резкое снижение продолжительности горения топливной смеси в сравнении с продолжительностью горения одного штыба (с 650 до 420 с), если концентрация биогранул в смеси не превышает 40 %. В этом диапазоне концентраций слой штыба и гранул должен, согласно нашим расчетам,

находиться в псевдоожиженном состоянии, биогранулы равномерно распределяются по объему слоя, горение летучих, выделяющихся из гранул в максимальной степени способствует прогреву штыба и ускоряет процесс его подготовки к воспламенению. При увеличении концентрации биогранул в смеси псевдоожижение слоя прекращается, скорость в верхнем сечении слоя снижается, перемешивание частиц топлива ухудшается и продолжительность горения уменьшается только на 60 с при росте концентрации биогранул с 40 до 100 %. Рост концентрации биогранул в смеси увеличивает эмиссию диоксида азота в атмосферу. При сжигании антрацитового штыба без гранул эмиссия оксида углерода составляет 2370 мг/м3. С увеличением доли гранул в смеси со штыбом эмиссия СО возрастает и достигает своего максимального значения 3177 мг/м3 (при сжигании одних гранул). С увеличением доли биогранул возрастает эмиссия диоксида азота в атмосферу с 210,4 мг/м3 (х2 = 20 %) до 315,2 мг/м3 (х2 = 100 %).

Проведенные исследования позволили предложить способ совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожиженном слое, заключающийся в подаче в топку котла заранее приготовленной смеси штыба и гранул, при содержании последних не более 40 %. Проведено опытное внедрение разработанного способа сжигания в котельной Инжавинской средней школы № 1 Инжавинского района Тамбовской области. Технико-экономические показатели работы котельной до и после ее перевода на сжигание смеси антрацитового штыба и биогранул приведены в табл. 5.

Экономия затрат на топливо позволила произвести реконструкцию котельной и установить в ней вместо четырех котлов «Универсал-6» два котла КВр-0,3 АК.

5. Технико-экономические показатели работы котельной Инжавинской средней школы № 1 до и после ее перевода на сжигание смеси антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника

Наименование показателя До реализации проекта После реализации проекта

Присоединенная мощность котельной, кВт 550 550

Годовая потребность в топливе, т 496 587

Годовые затраты на топливо, тыс. р. 1091,2 845,28

Экономия затрат, тыс. р. - 245,92

Результаты исследования приняты к внедрению в коммунальной энергетике Тамбовской и Ростовской областей. В 2007 г. в котельных МУП «Заветинские теплосети» (Заветное, Ростовская область) планируется применение процесса совместного сжигания гранул из лузги подсолнечника и антрацитового штыба. Компания Cameo International (ведущая организация в области реализации механизмов Киотского протокола, занимающаяся идентифицированием, кредитованием и реализацией проектов по сокращению выбросов парниковых газов) будет использовать результаты исследования при разработке проектов совместного осуществления с предприятиями коммунального хозяйства и промышленной энергетики России и других стран сокращения выбросов диоксида углерода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

Исследован процесс совместного псевдоожижения антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, на «холодной» модели при комнатной температуре, в результате установлено, что добавление мелких частиц (антрацитового штыба) к более крупным частицам (биогранулам) позволяет существенно (в 1,3 - 1,83 раза) снизить минимальную скорость псевдоожижения образующейся смеси частиц, если содержание штыба в смеси не менее 50 % от общей массы смеси.

Дальнейшее снижение содержания штыба в смеси и доведение таким образом концентрации биогранул в смеси до 60...80 % позволяет снизить минимальную скорость псевдоожижения частиц, находящихся в аппарате, не более чем в 1,07 - 1,17 раза по сравнению с минимальной скоростью псевдоожижения одних биогранул.

Предложена аналитическая зависимость для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц, дающая удовлетворительные результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными.

Расчетным путем показано, что при температуре, соответствующей температуре воспламенения антрацитового штыба в псевдоожиженном слое, псевдоожижение смеси штыба и биогранул возможно, если концентрация биогранул в смеси не превышает 40 %.

Продолжительность горения порции топлива зависит от того, находится ли слой топлива в псевдоожиженном состоярши или нет. При концентрации биогранул в смеси не выше 40 % в топке, содержащей слой частиц антрацитового штыба и биогранул, наблюдается псевдоожижение, за счет чего частицы штыба быстрее подготавливаются к воспламенению и продолжительность горения порции топлива, состоящего из биогранул и штыба, сокращается в 1,55. Однако при увеличении доли биогранул (с 40 до 100 %) в топливной смеси псевдоожижение слоя, состоящего из антрацитового штыба и биогранул, прекращается и продолжительность горения порции топлива сокращается менее заметно (в 1,27 раза).

На основе полученных результатов сформулированы рекомендации по проектированию и эксплуатации котлов для малых котельных.

Предложена конструкция водогрейного котла, на которую получен Евразийский Патент, предназначенного для сжигания в псевдоожиженном слое мелкозернистого твердого топлива, в том числе смеси антрацитового штыба и биогранул. Внедрение разработанного способа на одной из коммунальных котельных в Тамбовской области (Инжавинская средняя школа № 1) позволило получить годовой экономический эффект 245 920 р. (в ценах 2005 г.).

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

с1ъ с12 - эквивалентный диаметр частиц антрацитового штыба и диаметр частиц биогранул соответственно, мм; /<" - коэффициент формы для частиц антрацитового штыба; g - ускорение силы тяжести, м/с2; И — расстояние от воздухораспределительной решетки, м; Я - высота слоя, м; п -показатель степени; р - давление, Па; АР — перепад давления в слое, Па; 5 - удельная поверхность частиц; 11/ — скорость газа, м/с; С/0- минимальная скорость псевдоожижения смеси частиц, м/с; и1 - минимальная скорость псевдоожижения частиц штыба, м/с; Ui — скорость движения газа между частицами слоя, м/с; хх — доля частиц антрацитового штыба в смеси, хг — доля биогранул в смеси; Яе - критерий Рейнольдса; Аг - критерий Архимеда; еь г2, е0 - порозность слоя штыба, биогранул и слоя, состоящего из смеси биогранул и штыба, в состоянии минимального псевдоожижения; р„ рь Рг> Рш р, Рь~ плотность твердых частиц, плотность частиц антрацитового штыба и биогранул, насыпная плотность частиц антрацитового штыба, плотность слоя, состоящего из смеси частиц, насыпная плотность слоя, состоящего из смеси частиц штыба и биогранул, кг/м3; р/~ плотность газа, кг/м3; р./ - динамическая вязкость газа, Па-с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Улучшение экологических показателей работы коммунальных угольных котельных путем совместного сжигания биомассы и низкосортных углей / А.В. Михалев, Р.Л. Исьемин, С.Н. Кузьмин, В.В. Коняхин, А.Т. Зорин // Промышленная энергетика. - 2005. - № 12. - С. 35 - 39.

2. Исследование сосжигания антрацитового штыба и биогранул в отопительном котле с топкой с высокотемпературным кипящим слоем / А.В. Михалев, С.Н. Кузьмин, Р.Л. Исьемин, В.В. Коняхин, Б.Е. Красавцев, А.Т. Зорин // Промышленная теплотехника. - 2006. - Т. 28, № 1. - С. 64 - 68.

3. Рациональный выбор топлива для муниципальной котельной или при каких условиях уголь может стать альтернативой природному газу /

С.М. Назаров, Э.В. Калинин, Р.Л. Исьемин, С.Н. Кузьмин, В.В. Коняхин,

A.B. Михалев, М.Е. Ковалерчик // Новости теплоснабжения. - 2006. - № 3. -С. 25-28.

4. Гидродинамические основы организации совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожи-женном слое / P.J1. Исьемин, Н.Б. Кондуков, A.B. Михалев, С.Н. Кузьмин,

B.В. Коняхин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2006. - Т. 3, № 5.

5. О возможности использования угольных антрацитовых штыбов и местных видов биотоплива в коммунальной энергетике России и Украины / P.JI. Исьемин, В.В. Коняхин, С.Н. Кузьмин, A.B. Михалев, А.Т. Зорин, Е.В. Будкова // Енергетика та електрифжащя. Науково-виробничий журнал MiHicTepcTBa палива та енергетики Украши. - 2006. - № 9 (277). - Вере-сень (сентябрь). - С. 45 - 51.

6. Евразийский Патент № 006130 Bl, F 24 Н 1/28, F 23 С 10/20. Горизонтальный цилиндрический жаротрубно-дымогарный котел с топкой кипящего слоя / Исьемин PJL, Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Михалев A.B. 27.10.2005.

Подписано к печати 14.03.2007 Формат 60 х 84/16. Объем 0,93 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 213

Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ВВЕДЕНИЕ

1. Литературный обзор и постановка задачи исследования

1.1 Источники и типы биомассы, пригодные к энергетическому использованию в условиях России

1.2 Обзор технологий совместного прямого сжигания угля и

1.2.1 Совместное прямое сжигание угля и биомассы в пылеугольных котлах и в котлах с механической топкой

1.2.2 Совместное прямое сжигание угля и биомассы в котлах с топками кипящего слоя.

1.3 Исследование процессов псевдоожижения многокомпонентных смесей частиц

1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования

2. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента

2.1 Исследование процесса совместного псевдоожижения биогранул и антрацитового штыба на «холодной» модели.

2.2 Исследование процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном кипящем слое в топке действующего котла.

2.3 Погрешности эксперимента

3. Результаты исследования

3.1 Результаты исследования процесса совместного псевдоожижения антрацитового штыба и биогранул на холодной» модели.

3.2 Вывод уравнения для определения минимальной скорости псевдоожижения слоя, состоящего из частиц штыба и биогранул с учетом температуры псевдоожижающей среды

3.3 Исследование процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в топке промышленного котла

3.4 Практическое использование результатов исследования

4. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Известные преимущества и достоинства псевдоожиженных систем (развитая поверхность контакта твердого материала и ожижающего агента, интенсивный теплообмен как между твердыми частицами, составляющими слой и псевдоожижающей средой, так и между псевдоожиженным слоем в целом и погруженными в слой поверхностями теплообмена или ограничивающими слой конструкциями, возможность непрерывного ввода и вывода твердой фазы из аппарата со слоем, определенная простота управления процессом) обусловили большие ожидания в отношении перспектив практического использования метода псевдоожижения, прежде всего в химической, нефтехимической, пищевой, строительной, фармацевтической промышленности, черной и цветной металлургии, энергетике и ряде других отраслей. Однако на практике выявились и определенные недостатки технологии псевдоожижения, среди которых наиболее существенными являются поперечная неравномерность потоков (образование застойных зон, каналов), пылеобразование и унос, значительная неравномерность распределения твердых частиц по времени пребывания (т.е. по времени технологической обработки) в слое. Обнаруженные недостатки породили известное разочарование в технологии псевдоожижения, появились высказывания, что данный метод организации процесса взаимодействия газ -твердое вещество не оправдал возлагавшихся на него надежд и применим лишь для ограниченного круга технологических процессов.

Дальнейшее изучение псевдоожиженных систем, усилия, направленные на практическую реализацию этой технологии привели к более сбалансированным оценкам. Было показано, что многие недостатки технологии псевдоожижения могут быть устранены или сведены к минимуму разработкой и внедрением рациональных технологических и конструкторских решений, что позволило расширить практическое использование техники псевдоожижения. Так, в частности удалось наметить пути решения проблем, возникающих при обработке в псевдоожиженном слое кусковых, крупнозернистых и крупногранулированных продуктов, при тривиальном 5 псевдоожижении которых наблюдается низкий выход целевого продукта из-за плохих условий взаимодействия между составляющими слой фазами, требуются высокие скорости псевдоожижающего газа и, соответственно, большие энергозатраты на его прокачивание через слой. Предложен фактически новый способ псевдоожижения, когда крупные частицы псевдоожижаются в слое более мелких частиц, причем варьируя размеры и плотность мелких частиц можно исключить сегрегацию частиц по плотности и

ППКОт»! п О ГТЛД Т* О Л^ДЛПДТТТХТТ Л1' ч г 1 I I ,'1/>'Т1 т / Ч'Ч 1 I f w 111 ил тт крупных частиц, при котором крупные частицы и тяжелые частицы свободно перемещаются в слое, переходя в псевдоожиженное состояние при скорости газа меньше той, которая требовалась бы при псевдоожижении одних только крупных и (или) тяжелых частиц.

Очевидна перспективность данного метода для ряда химических производств и смежных отраслей промышленности (к примеру, для сушки и замораживания пищевых продуктов). Технология совместного псевдоожижения может быть применена и для организации процесса совместного сжигания мелкозернистых низкосортных углей (к примеру антрацитового штыба) и биогранул, изготовленных из сельскохозяйственных и древесных отходов.

Интерес к сжиганию низкосортных, более дешевых углей и биомассы (зачастую являющейся невостребованным отходом в сельском хозяйстве, перерабатывающей и лесной промышленности) в топочных устройствах печей химических производств и энергетических котельных установках обусловлен ростом цен на традиционные энергоносители (природный газ, нефтепродукты, уголь), с одной стороны, и вступлением в силу Киотского протокола, предписывающего сокращение выбросов парниковых газов, в том числе диоксида углерода, образующегося при сжигании ископаемых топлив, с другой стороны. Раздельное и совместное сжигание низкосортных углей и биомассы требует разработки и исследования новых технологических и конструкционных решений топочных устройств как применительно к печам химических производств, так и к котельным установкам, поскольку существующие конструкции и технологии рассчитаны, как правило, на сжигание высокосортных, малозольных топлив.

Для южных и центральных регионов России и большинства регионов Украины весьма актуальным является использование в качестве топлива антрацитового штыба, стоимость которого в несколько раз ниже ныне широко используемого в топочных устройствах малой мощности антрацита сорта «семечко». Однако, фракционный состав штыба (доля частиц размером от 0 до

A \ J \ /Т Г1 АЛТОП ТТГГе»Т О ^ ОС ^ Т)Т ТОЛТ/'ОП' П Л ТТТ ТТ/"\/"»ТГ ТП'ГТ т&п (ТТ/-Ч ^^ О/. \ ПТ ТПЛГ^ЛЛ

ЧУ iviiYi S^WVJ. сл. и«l/i V, i. \j ^ S KJ / и у j L»L»1^\J1VU/1 JUJlifllUW LU 1 i 1 1 шии ^ ^ ' ^ J ? i-> i->l ^ VJ1V VJ V содержание серы (до 2 %) делают невозможным использование штыба в качестве топлива в топочных устройствах и отопительных котлах существующих конструкций, оборудованных чугунными колосниковыми решетками для сжигания топлива в плотном слое.

Предыдущие исследования, выполненные в Тамбовском государственном техническом университете, позволили разработать технологию сжигания антрацитового штыба в высокотемпературном кипящем (псевдоожиженном) слое. Ныне изготовлено и находится в эксплуатации свыше 100 водогрейных котлов мощностью от 300 до 800 кВт, в топочных устройствах которых реализована разработанная технология сжигания антрацитового штыба и которые переведены на сжигание этого штыба.

Однако, при сжигании штыба по разработанной технологии не возможно снизить эмиссию оксидов серы и азота в атмосферу. Т.к. топочные устройства разработанной конструкции эксплуатируются в котельных поселков и небольших городков, то высокий уровень эмиссии указанных компонентов в атмосферу создает определенные экологические проблемы.

Одним из эффективных способов снижения эмиссии загрязняющих компонентов в атмосферу (в том числе диоксида углерода и золы) является совместное сжигание низкосортных углей (в том числе и антрацитового штыба) и биомассы. Реализация такой технологии особенно привлекательна для южных регионов России и Украины, где в виде лузги подсолнечника, риса, проса, гречихи, соломы и т.п. образуются значительные невостребованные объемы биомассы.

Низкая насыпная плотность указанных видов биомассы и низкая удельная теплота сгорания этого вида топлива делают проблематичным его использование в коммунальной энергетике в неденсифицированном виде.

Поэтому актуальной задачей является разработка технологий совместного сжигания в высокотемпературном кипящем (псевдоожиженном) слое антрацитового штыба и денсифицированной биомассы в виде гранул, производство которых расширяется во всем мире.

Анализ литературных данных показал, что отсутствуют свсдспия не только об оптимальных параметрах процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном кипящем (псевдоожиженном) слое, но не исследованы процессы совместного псевдоожижения штыба и гранул, т.к. эти два компонента топливной смеси сильно отличаются размерами и формой составляющих их частиц. Отсутствуют приемлемые аналитические или эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать минимальную скорость псевдоожижения топливной смеси, а также учитывать изменение этой скорости с температурой псевдоожижающего газа, поскольку процессы совместного сжигания штыба и биогранул протекают при температуре более чем в 50 раз превышающей комнатную. Не определены также оптимальные составы сжигаемой топливной смеси антрацитового штыба и биогранул, как с точки зрения эффективности процесса сжигания, так и с точки зрения минимальной эмиссии в атмосферу оксида углерода, оксидов серы и азота (в пересчете на диоксид).

Целью работы является исследование особенностей гидродинамики псевдоожиженного слоя антрацитового штыба и биогранул и влияние этих особенностей на процесс совместного сжигания этих топлив в топочных устройствах печей химических производств и котельных установок малой мощности.

На защиту выносятся:

- полученные автором результаты исследования процесса совместного псевдоожижения антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, при комнатной температуре на «холодной» модели,

- полученная автором аналитическая зависимость для расчета минимальнои скорости псевдоожижения многокомпонентной смеси и метод оценки изменения значения минимальной скорости псевдоожижения с температурой псевдоожижающего газа,

- полученные автором экспериментальные данные по процессу совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном кипящем (псевдоожиженном) слое в топке действующего котла, в том числе и данные по оптимальному составу топливпой смеси с точки зрения эффективности сжигания, сокращения продолжительности горения порции топливной смеси при ее периодической подаче в топку котла и минимизации выбросов оксида углерода, оксидов серы и азота в атмосферу (способ сжигания смеси антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожиженном слое), результаты апробации разработанного способа сжигания на промышленной котельной с присоединенной нагрузкой 550 кВт.

Результаты исследования реализованы при реконструкции котельной школы № 1 Инжавинского района Тамбовской области в части замены антрацита класса «семечко» на смесь антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, с годовым экономическим эффектом 245920 рублей (в ценах 2005 г.), что позволило провести замену устаревшего оборудования в котельной и, за счет установки нового, обладающего большим КПД, котла, конструкция которого разработана ТГТУ, дополнительно сэкономить за отопительный сезон 2005/2006 г.г. порядка 100 тонн топлива.

Работа над диссертацией проводилась в Тамбовском государственном техническом университете.

Настоящая работа по разработке гидродинамики совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в псевдоожиженном слое является законченной самостоятельной составной частью комплекса исследований, проводимых под руководством к.т.н., доцента Кузьмина С.Н. и к.т.н. Исьемина

P.JT. Им, а также профессору Кондукову Н.Б., к.т.н. Рябову А.Г., инженерам Коняхину В.В. и Зорину А.Т. автор выражает благодарность за помощь в работе.

4. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате выполненной работы обоснована технологическая, экологическая и экономическая необходимость организации процесса совместного сжигания в топках отопительных котлов малой мощности антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника.

2. Детально исследован процесс совместного псевдоожижения антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, на «холодной» модели при комнатной температуре, в результате чего установлено:

2.1. Добавление мелких частиц (антрацитового штыба) к более крупным частицам (биогранулам) позволяет существенно (в 1,3-1,83 раза от минимальной скорости псевдоожижения биогранул) снизить минимальную скорость псевдоожижения образующейся смеси частиц, если содержание штыба в смеси не менее 50 % от общей массы смеси.

2.2. Дальнейшее снижение содержания штыба в смеси и доведение таким образом концентрации биогранул в смеси до 60-80 % позволяет снизить минимальную скорость псевдоожижения частиц, находящихся в аппарате, не более, чем в 1,07-1,17 раза по сравнению с минимальной скоростью псевдоожижения одних биогранул.

2.3. Порозность слоя штыба и гранул увеличивается с повышением концентрации биогранул до 60 %, а не уменьшается, как это имеет место в полидисперсных слоях мелких частиц, но коэффициент сопротивления слоя снижается как и у мелкодисперсных частиц с увеличением доли крупной фракции.

2.4. Предложена физическая модель псевдоожижения смеси штыба и биогранул, с помощью которой показано, что всплытие биогранул в псевдоожиженном слое, состоящем из смеси антрацитового штыба и биогранул возможно, если весовая концентрация биогранул в смеси меньше или равна 50 %. Если концентрация биогранул больше или равна 60 % наступает режим инверсии и гранулы осаждаются вниз аппарата, а штыб всплывает, т.е. осуществить процесс совместного псевдоожижения штыба и гранул становиться невозможно.

3. Предложена аналитическая зависимость для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц, дающая удовлетворительные результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными.

4. Предложена методика оценки минимальной скорости плапплллтлимсатттхп пиоли ттолтип тптг и ^ттппоттт^тт тт+лт» тл1»гглг<птчг»>л лтппттттг»Л и wjj^u,v/v/viviivivwiin/i cmv^a ictw шц 11 > хшии n uiiui j^ctii j л i ^mn^pu1J jjw i лjta hi wjti от комнатной.

5. Показано, что при температуре, соответствующей температуре воспламенения антрацитового штыба в псевдоожиженном слое, псевдоожижение смеси штыба и биогранул возможно, если концентрация биогранул в смеси не превышает 40 %.

Сделанные в результате опытов на «холодной» модели выводы и обобщения получили подтверждение в результате экспериментов на действующем котле, а именно:

6. Продолжительность горения порции топлива зависит от того, находиться ли слой топлива в псевдоожиженном состоянии или нет. При концентрации биогранул в смеси не выше 40 % в топке, содержащем слой частиц антрацитового штыба и биогранул, наблюдается псевдоожижение, за счет чего частицы штыба быстрее подготавливаются к воспламенению и продолжительность горения порции топлива, состоящего из биогранул и штыба, сокращается в 1,55.

7. Замена части низкореакционного топлива (антрацитового штыба) на высокореакционное топливо (биогранулы) сокращает продолжительность горения порции топлива. Чем выше концентрация биогранул в смеси, тем меньше время горения порции топлива (включая и время подготовки топлива к воспламенению). Однако, при увеличении доли биогранул (с 40 до 100 %) в топливной смеси псевдоожижение слоя, состоящего из антрацитового штыба и биогранул, прекращается и продолжительность горения порции топлива сокращается менее заметно (в 1,17 раза).

Кроме того, опыты на промышленном котле позволили установить, что:

8. Увеличение доли биогранул в смеси приводит к возрастанию эмиссии оксида углерода, диоксида азота в атмосферу, но уменьшает эмиссию в атмосферу диоксида серы.

9. Уровень эмиссии оксида углерода, диоксида азота и диоксида серы в атмосферу при сжигании смеси антрацитового штыба и биогранул соответствует Российским и европейским требованиям, предъявляемым к

T/TXTTTOH-r ТТГЧТ* И-ГГМТТТТ/Л^ТТХ г> тт пптчл О О TTTTJTT Т ГХТУПТ Г-ТГОТ/ЛТТТОТХ л-патттт

IV \J 1 a^ktiVA. IVX WW Л 4J XX. Ifl \J ' ' \ ' ' * ' will U 1UW ill JUii^ll Д и I \J J /IVU1VJU4,V/1 1 .

10. Все вышеизложенное позволило разработать способ совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном кипящем слое, суть которого сводиться к подаче в топку котла заранее подготовленной смеси штыба и гранул, при содержании гранул в смеси не более 40 %. Внедрение разработанного способа совместного сжигания антрацитового штыба и гранул, изготовленных из лузги подсолнечника, на одной из коммунальных котельных в Тамбовской области позволило заменить дорогостоящее топливо (антрацит класса «семечко») на более дешевое топливо (смесь антрацитового штыба и биогранул) и получить годовой экономический эффект 245920 руб. (в ценах 2005 г.), что, в свою очередь, позволило провести реконструкцию котельной, заменить устаревшие котлы «Универсал - 6» на современный котел КВр - 0,3 АК, поднять КПД котельной с 50 до 74 - 75 % и дополнительно сэкономить примерно 100 тонн топлива в год.

И. Разработанная способ совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, принята к внедрению на ряде коммунальных теплогенерирующих предприятиях Ростовской области.

1. В.М.Неуймин. О Концепции технической политики ОАО РАО "ЕЭС России" // "Трубопроводная арматура и оборудование", № 1, 2005 г., с. 45-47.

2. Биотопливо и его сжигание. Вводный курс для операторов котельных на биотопливе // Swedish Energy Agency. С. Петербург, 2004, 87 с.

3. Справочник потребителя биотоплива (под редакцией Виллу Вареса) // Таллинн, Таллиннский технический университет, 2005. 183 с.

4. Шретер В.Н. паровые котлы // М. Л.: ГОНТИ Главная редакция энергетической литературы, 1938 - 420 с.

5. Passalacqua F. Agri Pellets - a new fuel for Southern Europe // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3. - 4.3.2004 Wels (Austria), pp. 185- 199.

6. Ottosen P., Jensen J.P. Large scale wood and straw pellets production and use. // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3. 4.3.2004 Wels (Austria), pp. 65 - 71.

7. Alakangas E. Properties of fuels used in Finland // VTT Espoo, 2000, pp. 172- 199.

8. Alakangas E. The European pellets standardization // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3. 4.3.2004 Wels (Austria), pp. 47 - 55.

9. Obernberger I. Pellets Technologien - ein Uberblick // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3.-4.3.2004 Wels (Austria), pp. 1 - 13.

10. Bjerg J. Pellets for Europe a European Programme // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3. - 4.3.2004 Wels (Austria), pp. 126 - 130.

11. Akim E.L. Wood pellets production in Russia // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3.-4.3.2004 Wels (Austria), pp. 271 -281.

12. Nikolaisen L., Jensen T.N. Pellet recipes for high quality and competiteve prieces // Proceeding of European Pellets Conference 2004, 3. -4.3.2004 Wels (Austria), pp. 199 208.1 ^ PalrhrmnV C\ "Rnrnrhilwa A frnliiVi^wa V T ppI/паг R Uonccnn V Л/t

13. X • л UlVilViiVIV 4J • 2 V-/ A ^ M A Ч» W X V1 * V» * i^VViViiVi ' < • 2 1. 1U1 1J J Uii X Vi i'Xi^

14. Tullin C. Temperature and combustion kinetics of wood pellet char in a fluidized bed // Тепломассобмен ММФ 2000: Труды IV Минского международного форума по тепломассобмену (22 - 26 мая 2000 г.). - Мн., 2000, т. 6, с. 3 - 11.

15. Abbas Т., Costen P., Glaser K., Hassan S., Lockwood F., On J. J. Combined Combustion of Biomass, Municipal Sewage Sludge and Coal in a91

16. Pulverized Fuel Plant. Final Report: European Commission APAS Clean Coal Technology Programmer on Coutilisation of Coal, Biomass and Waste, APAS Contract COAL CT92 - 002, v. II: Final Reports, 1995.

17. Kostamo J.A. Co firing of Sawdust in a Coal - fired Utility Boiler // IFRF Combustion Journal, Article Number 200001, January 2000, ISSN 1562 -479X.

18. Пузырев E.M., Щуренко В.П. Циклонная топка. Патент РФ. № 2105239. 20.02.98. Бюл.№ 5.

19. Пузырев Е.М., Щуренко В.П., Шарапов М.А. Устройство для сжигания твердого топлива. Патент РФ № 2126113. 10.03.99. Бюл. № 4.

20. Пузырев Е.М., Щуренко В.П., Щербаков Ф.В. Вихревая топка. Патент РФ № 2126932. 27.02.99. Бюл. № 6.

21. Пузырев Е.М., Сидоров A.M., Скрябин А.А., Щуренко В.П., Шарапов A.M., Шарапов М.А. Использование вихревых топок, сжигание растительных отходов. // www.ricbem.ru.

22. Anon. Experience base grows for со firing waste fuels. // Power, October 1993,45-47.

23. Godel A. A new Combustion Technique // Engineering and Boilerhouse Review, May, 1956.

24. Graff R.A. Studies Toward Improved Techniques for Gasifying Coal // City College of New York, Final Technical Report, NSF Grant G134286 A, July 31, 1975.

25. Мишина К.И. Энергосбережение начинается с топлива // www.SciTecLibrary.ru, дата публикации 21 июля 2005 г.

26. Юферев Ю.В. Проблемы и перспективы реконструкции угольных котельных малой мощности по технологии «кипящего слоя» // «Инженерные системы», 2001, № 2, с. 41 44.

27. Котлоагрегат для сжигания угля в кипящем слое. Патент на полезную модель № 38041 по заявке № 2003133007 20.05.04. / Бюл. № 14.

28. Киотского протокола и повышению комплектности использования древесины и торфа». Материалы по устойчивому управлению лесного сектора № 2. -United Nations, New York, Geneva, 2005, с. 90-93.

29. Atmospheric fluidized bed combustor // United States Patent 4481892, F 23 D 001/00, 1984.11.13.

30. Кузьмин C.H., Будкова E.B., Исьемин P.JI., Кондуков Н.Б. Разработка котла для сжигания низкосортного твердого топлива в псевдоожиженном слое // «Экотехнологии и ресурсосбережение», 2004, № 5, с. 73 78.

31. Кузьмин С.Н., Михалев А.В., Будкова Е.В., Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кондуков Н,Б. О сжигании низкореакционных рядовых углей в отопительных котлах малой мощности // «Известия вузов. Северо Кавказский регион. Технические науки», 2004, № 1, с. 19-22.

32. Кузьмин С.Н., Исьемин P.J1., Коняхин В.В., Будкова Е.В., Михалев А.В. К вопросу об использовании отходов углеобогащения в качестве топлива для коммунальных котельных шахтерских городов и поселков // «Уголь», 2004, №5, с. 51-54.

33. Власюк А.В., Зембицкий П.Ю., Кучин Г.П., Скрипко В.Я., Ефимов Г.В., Павленко П.И., Менайлов А.Н. Опыт сжигания низкосортного твердого топлива в топках кипящего слоя отопительных котлов мощностью до 1МВт //

34. UnnnoT.1 Tanr,noT>o^a.„niv ОПП1 \Гг, 1 Г) п 1 ^ 1 Кwiiv/uv^viri л wii^iwwiiuv^/ivviiti/i// ^ ^ w и 1 ^ *м i с. i ^ i и.

35. Nessbaumer Т. Combustion and Со combustion of Biomass: Fundamental, Technologies and Primary Measures for Emission Reduction // «Energy & Fuel», 2003, № 17, pp. 1510 - 1521.

36. Barnes J.E., Jauhiainen E. Managing Pulp and Paper Mill Waste Using Bubbling Fluidized Bed Technology. Power Gen America Conference. Orlando, December 7-9, 1994.

37. Baxter L.L. Figure 7.16. In Handbook of Biomass Combustion and Co -Firing, Twente University Press: Twente, 2002, p. 26

38. Hupa M. Current Status and Challenges within Fluidized Bed Combustion // Proceeding of Swedish Finnish Flame Days 2005, Boras, Sweden, October 18- 19, 2005, pp. 5 - 20.

39. Leckner В., Amand L. E. Co - combustion of Biomass, Waste and Coal // Proceeding IEA Technical Meeting, Jacksonville, May, 2003.

40. Lundmark D., Ohran В., Mueller C., Hupa M. Simulation of BFBCs Fired with Biofuel Mixtures a CFD Based Modelling Concept // 46th IEA - FBC May 18th, 2003, Jacksonville, USA.

41. Hiltunen M., Almark M. Defluidization Time of Different Materials in Fluidized Bed Combustion // Proceeding of Swedish Finnish Flame Days 2005, Boras, Sweden, October 18- 19, 2005, pp. 28 - 36.

42. Liledahl Т., Sjostrom K. Defluidization and Sintering Fluidized Bed Gasification of Bio Fuels // Proceeding of Swedish - Finnish Flame Days 2005, Boras, Sweden, October 18- 19, 2005, pp. 37 - 52.

43. Lin W., Krusholm G., Dam Johansen K., Mushal E., Bank L. Agglomeration Phenomena in Fluidized Bed Combustion of Straw // Proceeding of the 14th International Conference on Fluidized Bed Combustion, Vancouver, Canada, May 11 - 14, 1997.

44. Ohman M., Nordin A. Bed Agglomeration Characteristics During Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuel // «Energy & Fuels», 2000, № 14, pp. 169- 178.

45. ТЛ ТЧ Г^ог Tnlmrlirratir^r» // //ХУгл\\ rA a-r гГог»1-»т-кг»1 гчгтл rw 1 О'УЗ Пx JJ w к> x v>uj a iuiui^iull v/xl / / nn а v/ v y uvi -1 ч/ 4/1 111 \J x v/ J ft 9 1 / 9 /51. X ViUi V285 -292.

46. Боттерилл Дж. Теплообмен в псевдоожиженном слое: гидродинамические характеристики псевдоожиженного газом слоя и их влияние на его теплообменные свойства // М. «Энергия», 1980, 344 с.

47. Kunii D., Levenspiel О. Fluidization Engineering, 1991, 2nd ed., Butterworth Heinemann, Boston, U.S.A.

48. Pan Y.K., Li Z.Y., Mijumdar A.S., Kudra T. Drying of Root Crop in Vibro Fluidized Bed // «Drying Technology», 1997, 15, 215 - 223.

49. Poirier M.T., Kudra Т., Platon R. Pulsed Fluid Bed Technology -Opportunities for Low Temperature Drying of Biomaterials // Proceeding of the 1st Nordic Drying Conference - NDC'01, Paper № 28 (CD - ROM), Trondheim, Norway (2001).

50. Li Z.Y., Kobayashi N., Nishimura A., Hasatani M. Sorption Drying of Soybean Seeds with Silica Gel. 1. Hydrodynamics of a Fluidized Bed Diyer // «Drying Technology», 2002, 20, 1193 1213.

51. Donsi G., Ferrari G., Olivieri L. Drying of Agricultural Products in a Two Component Fluidized Bed // «Preconcentration and Drying of Food Materials», S. Bruin ed., pp. 277 - 286, Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, the Netherlands (1988).

52. Mourad M., Hemati M., Laguerie C. Drying of Corn Kernels in a Floatation Fluidized Bed Influence of the Operation Conditions on Product Quality // Drying'92, Majumdar A.S. ed., pp. 1456 - 1464, Amsterdam, the Netherlands (1992).

53. Saxena S.C. Fluidized Bed Incineration of Solid Pellets: Combustion and Co - combustion // «Energy Conversion and Management, 1998», 39, pp. 127 -141.

54. Kage H.M., Agari M., Ogura H., Matsuno Y. Frequency Analysis of Pressure Fluctuation in Fluidized Bed Plenum and its Confidence Limit for Detection of Various Modes of Fluidization // «Adv. Powder Technol.», 2000, 11, pp. 459 -475.

55. ГЬйппгг T ХПапгчлхг Л Wl R гиirt* P XT Л/firumum flnl/^iTotir^n

56. V/ X i VXiVVfll^ XV • J J- UV11V »» i ii «I • J 1VU r » W А «XI» IfXiilllilUlll HUiV^lijUl'lWli V VlUVi ^ J \J Xa binary mixture of different sized particles // Chemical Engineering Science, 1974, vol. 29, № 5. pp 1301 1303.

57. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Носов Г.А., Мамошкина В.В., Реброва А.К. Особенности псевдоожижения бинарных смесей // «Теоретические проблемы химической технологии», 1967, т. 1, № 3, с. 383 -391.

58. Rowe P.N., Nienow A.W. Minimum Fluidization Velocity of Multi -Component Particle Mixture // Chemical Engineering Science, 1975, vol. 30, pp. 1365 1369.

59. Rincon J., Guardiola J., Romero A., Ramos G. Predicting the Minimum Fluidization Velocity of Multicomponent Systems // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1994, vol. 27, № 2, pp. 177-181.

60. Кондуков Н.Б. Гидродинамическое сопротивление в переходной области псевдоожижения полидисперсного слоя // «Инженерно физический журнал», 1962, т. V, № 3, с. 27 - 32.

61. Ridgway К., Sim Н.К. Passage of Speres through Tapered Beds // Chemical and Process Engineering, 1966, v. 47, № 6, pp. 281 -286.

62. Rowe P.N. Drag Forces in a Hydraulic Model of a Fluidized Bed. Part 1 // Institution of Chemical Engineering , Transactions, 1961, v. 39, pp. 43 54.

63. Радованович M. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое // М.: Энергоатомиздат, 1990. -248 с.

64. Котел для сжигания топлива в псевдоожиженном слое // Патент РФ № 2168678 С2, 7 F 24 Н 1/00, F 23 С 10/00 (Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кузьмин С.Н.), 10.06.2001, бюл. № 16.

65. Горизонтальный цилиндрический жаротрубно дымогарный котел с топкой кипящего слоя // Евразийский Патент № 006130 Bl, F 24 Н 1/28, F 23 С 10/20 (Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Михалев А.В.), 27.10.2005 г.

66. П 1 А Длм/г,лчг»%лттог\г»т,г>аиттт ттт лтотт ттогчт1 УО^Т* О ПП1 //Т/'гчт'ггт т

67. А . X fiV/a L Wjr ^U^/V A 1/Witii AJ1 f 1 vx Uii^u^/ A A X ^ V / ^^ WiVC/ l^i iJiотопительные водогрейные теплопроизводительностью от 0,1 до 4,0 МВт» // Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2002, 15 с.

68. Кондуков Н.Б. Гидродинамические особенности и условия подобия в переходном режиме псевдоожижения // Инженерно физический журнал, 1961, т. IV, №3, с. 31-38.

69. Сосна М.Х., Кондуков Н.Б. Критерии и формулы для расчета скорости псевдоожижения. Полидисперсный слой. // Инженерно физический журнал, 1968, т. XV, № 1, с. 73 - 78.

70. Кунии Д., Левиншпиль О. Промышленное псевдоожижение М.: «Химия», 1976-447 с.

71. Анштейн В.Г., Гордонов Б.С. Сегрегация зернистых материалов в псевдоожиженном слое // В кн. Псевдоожижение / Анштейн В.Г., Баскаков А.П., Берг Б.В. и др. М.: «Химия», 1991 - 400 с.

72. Зенц Ф.А. Режимы псевдоожижения // В кн. «Псевдоожижение», под редакцией Дэвидона И.Ф. и Харрисона Д. М.: «Химия», 1974, 728 с.

73. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.: «Химия», 1968, 512 с.

74. Гринь И.Г., Дунаевская Н.И., Жолудов Я.С. Повышение реакционной способности антрацитового штыба путем предварительной термической обработки // Проблемы тепло и масообмена в современной технологии сжигания и газификации твердого топлива: Материалы

75. H/ffl-Sb- ттл7иаг\г»ттиг»й rrri/т» тп. г — ^онииопо (01 uoo 4 uu->uo 1Q88 T^ A/riTipV Т/ГТЛ/ГП

76. Pattipati Ranga R., Wen C.Y. Minimum Fluidization Velocity at High Temperature // Industrial & Engineering Chemistry Process Desing and Development, 1981, vol. 20, № 4, pp. 795 797.

77. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. Теплотехнические расчеты по обобщенным константам продуктов горения. М.: «Наука», 1966, с. 12- 15.

78. Исьемин P.JL, Зайцева Н.А., Осипов А.Д., Акользин А.П. Образование оксидов азота и связанных отложений на поверхности нагрева котлов с топками полукипящего слоя, работающими на низкосортном угле // «Промышленная энергетика», 1995, № 2, с. 37 38.

79. Kuzmin S.N., Isemin R.L., Konjahkin V.V., Mikhalev A.V., Panfilova O.V., Zorin A.T. An Investigation into the Co Combustion of Low - Quality Coal98

80. Together with Pellets, Produced from Sunflower Husk // Proceeding of the Second World Conference on Pellets, Pellets 2006, Jonkoping, Sweden, 30 May 1 June 2006, pp.41 -45.

81. Михалев A.B., Исьемин P.JI., Кузьмин C.H., Коняхин В.В., Зорин

82. A.Т. Улучшение экологических показателей работы коммунальных угольных котельных путем совместного сжигания биомассы и низкосортных углей // «Промышленная энергетика», 2005, № 12, с.35 39.

83. ГОСТ 10617 — 83. «Котлы отопительные теплопрокзводительностью от 0,1 до 3,15 МВт. Общие технические условия».

84. Ochrana L., Development of Fluidized Bed Combustion Technologies in the Czech Republic // Technical papers presented at the 17th World Energy Congress, Houston, Texas, USA, 1998.

85. Исьемин P.JI., Кузьмин C.H., Михалев A.B., Будкова E.B., Коняхин

86. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок М.: «энергоатомиздат», 1991, 416 с.