автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии энергетического использования древесного биотоплива

На правах рукописи

Марьяндышев Павел Андреевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО БИОТОПЛИВА

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ИЮН 2015

Архангельск 2015

005569603

005569603

Работ выполнена в федеральном государственном автономном учреждении высшею профессионального образования «Северный (Арктический) федеральным универешет имени N1.1!. Ломоносова»

Научный руководи гель доктор технических наук, профессор.

заведующий кафедрой теплоэнергетики и 1еилоте.\ники Северного (Арктического) федеральною университета имени М.В. Ломоносова Лнн'ов Пикюр Константинович

Официальные оппонент rpiiKipi.cn Константин Анатольевич.

док юр технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Реакторные и ксие.п.ные установки» Санкт-Петербургского полшехнического университета Петра Велико! о

Романов» Лидии Нлалнмнроппа. кандидат технических наук. ведущий научным сотрудник. заведующая отраслевой лабораторией очистки промышленных выбросов Санкт-11етербургского

i осу дарственного технологического

университета растительных полимеров

Ведущая организация: ОАО «11аучио-ироизводствемное объединение

по исследованию м проектированию чнергетического оборудования

им. И.И. Пол е нова»

Зашита состоится «23» июня 2015 юда в 11 часов на заседании дисссркщиопного совета .V Л 212.2Г? ] .01 при Санкт-Петербургском государственном те.хноло! ическом университете растительных полимеров (198095. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственною 1ехнолошческок> университет растительных полимеров и на сайте lutp: gturp.spb.ru .

Авюреферат разослан « » апреля 2015 i ода

Ученый секре гарь диссертационно! о совета

Доктор технических наук v/ZL/t/í Л.Г. Махотнна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и степень ее разработки. В энергетической стратегии РФ к числу важнейших принципов обеспечения энергетической безопасности отнесены: принцип заменимости исчерпаемого ресурса; диверсификации видов топлива и энергии; экологической приемлемости; максимально возможного использования во всех технологических процессах и проектах отечественного оборудования и ряд других принципов.

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. м3, расчетная лесосека 23,7 млн. пл.м3. Заготовка древесины составляет 11,4 млн. пл. м3, при этом отходы лесозаготовки составляют 2,1 млн. пл. м3, а санитарные рубки 1,2 млн. пл.м3.

Отходы лесопромышленного комплекса, пеллеты и иные виды древесного топлива составляют в топливном балансе Архангельской области беспрецедентные 15%. Таким образом, именно биоэнергетика может стать локомотивом реализации местного энергетического потенциала и делает регион уникальным в масштабах страны.

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 в государственной научно-технической программе РФ «Экологически чистая энергетика» в качестве одного из приоритетных направлений рассматривается широкое использование энергетического потенциала биомассы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности энергетического применения древесного биотоплива на основе результатов комплексного термического анализа и моделирования на их базе топочных процессов котлоагрегатов.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Элементный анализ и определение теплотехнических характеристик 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.

2. Применение кинетических характеристик, полученных в результате комплексного термического анализа, для моделирования процессов, происходящих при сжигании древесного биотоплива в топочной камере котлоагрегата.

3. Влияние термического разложения древесного биотоплива на его морфологическую структуру и реакционную способность.

/

4. Хроматографический анализ газовых смесей, выделяющихся в процессе термического разложения древесного биотоплива.

5. Моделирование топочного процесса низкоэмиссионного вихревого котла и разработка рекомендаций по организации совместного сжигания угля и древесного топлива.

Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ разных видов древесного биотоплива, характерных для Северо-Западного региона РФ: элементный анализ, определение теплотехнических 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 в топке 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 работы котла и сократить время проведения эксплуатационных испытаний.

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.

В диссертационной работе использовались теоретические, экспериментальные и расчетные методы исследования. При выполнении экспериментальных исследований применялось высокотехнологичное оборудование: синхронный термоанализатор STA 449F3 Jupiter, хроматограф GC-MSQP2010Plus, оснащенный системой пиролиза EGA/PY-3030D (Frontier Lab), электронный растровый микроскоп Zeiss Sigma VP. Моделирование проводилось в программном комплексе SigmaFlame.

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» 2014 г., на международной научно-практической конференции «Арктические рубежи 2015» в Университете Тромсе, 2015 г.; на международном фестивале Энергоэффективности в Мурманском государственном техническом университете и Мурманском демонстрационном центре энергоэффективности, 2015 г. Результаты работы докладывались на ежегодных конференциях ППС в 2014, 2015 годах в Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В. Ломоносова, Архангельск.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в формировании целей и задач исследования, получении основного массива экспериментальных данных, их интерпретации и обобщении, в моделировании процессов аэродинамики, теплообмена, горения и образования оксидов азота в топочном устройстве вихревого котлоагрегата, в подготовке публикаций по теме диссертационной работы.

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

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую три раздела; выводы и библиографический список. Содержание работы изложено на 105 страницах, в том числе 16 таблиц, 30 рисунков и список литературы из 160 наименований.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

1. Методические параметры выполнения комплексного термического анализа древесного биотоплива, позволяющие достоверно оценить термогравиметрические данные и кинетические характеристики процессов, ответственных за термохимическое превращение биотоплива.

2. Комплексный метод оценки реакционной способности древесного топлива, базирующийся на результатах термогравиметрического, кинетического, морфологического и газохроматографического анализов.

3. Результаты определения кинетических параметров, характеризующих процессы выхода летучих веществ и горения коксового остатка.

4. Результаты морфологического исследования древесных биотоплив и их коксовых остатков, влияние морфологической структуры на реакционную способность топлива.

5. Хроматографический анализ газовых смесей, выделяющихся в процессе термического разложения древесного биотоплива.

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

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В данном разделе освещена актуальность темы исследования, которая соответствует энергетической стратегии РФ.

Свойства биотоплива и особенности их горения. В данном разделе представлены результаты исследования теплотехнических характеристик и элементного состава древесных биотоплив. Данные характеристики сведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Элементный анализ березы, сосны, ели, пеллет из ели

Образец С* Н* О"

Береза 46.5±1.8 6.9±0.3 38.5±1.5

Сосна 48.0±1.9 7.0±0.4 29.9±1.2

Ель 47.9±1.9 7.0±0.3 30.8±1.2

Пеллеты из ели 47.3±1.9 6.9±0.3 38.7±1.5

Таблица 2. Результаты теплотехнического анализа

Образец Влажность (Г), % Зольность (Ла),% Содержание летучих веществ (УааГ),% Низшая теплота сгорания на горючую массу МДж/кг

Береза 7.5±0.3 0.46±0.02 85.3±3.4 18.3±0.7

Сосна 14.6±0.6 0.41 ±0.02 85.3±3.4 19.1±0.8

Ель 13.9±0.6 0.33±0.01 83.2±3.3 18.7±0.7

Пеллеты из ели 6.7±0.3 0.35±0.01 84.6±3.4 18.8±0.7

Осина 13.7±0.6 0.41 ±0.02 85.9±3.4 18.2±0.7

Сухостой 7.4±0.3 0.31±0.01 85.5±3.4 18.9±0.7

Пеллеты из сосны 8.1±0.3 0.43±0.02 85.1±3.4 19.1±0.8

Пеллеты из березы 8.5±0.3 0.44±0.02 84.9±3.4 18.3±0.7

Дуб 7.2±0.3 0.30±0.01 85.3±3.4 17.9±0.7

Кора дуба 10.7±0.4 5.01 ±0.20 76.7±3.1 19.2±0.7

Кора сосны 8.9±0.4 1.05±0.04 80.8±3.2 21.8±0.9

Аналитический обзор литературы. В обзоре представлены данные о комплексных термических методах анализа, проведен анализ опубликованных работ и приборного парка по данной тематике. Рассмотрена методика определения кинетических параметров, приведены средние значения энергий активации и констант скорости реакции для разных топлив.

Возможным направлением практического использования кинетических параметров является их применение при численном моделировании топочных процессов в котельных агрегатах. Полученные кинетические характеристики могут использоваться в уравнениях тепломассопереноса, на которых основывается алгоритм работы программного обеспечения, предназначенного для симулирования. Приведены основные пакетные продукты (Ansys Fluent, SigmaFlame), используемые для численного моделирования, и работы, выполненные с помощью данного программного обеспечения.

Экспериментальная часть. Экспериментальная часть состоит из главы с результатами лабораторных исследований и двух глав с результатами моделирования топочного процесса котельного агрегата ПК-10 при помощи пакета программ для численного моделирования SigmaFlame.

1. Термические методы анализа древесного биотоплива в лабораторных условиях

Для проведения термического анализа древесное биотопливо было первоначально подготовлено. Образцы были размолоты, определен гранулометрический состав и выделены фракции, позволяющие исключить влияние диффузионных факторов на результаты экспериментов, определена масса образца - 5 мг, помещаемого в тигель синхронного термоанализатора STA 449 F3 Jupiter. Каждая фракция исследуемого материала подвергалась термической обработке в диапазоне температур 20-1300 °С. При температурах выше 1300 °С процесс термолиза можно считать завершенным.

Результаты термического анализа — это кривые ТГ анализа и ДСК анализа, представлены на рисунках 1 и 2.

• N

Рис. 1. Результаты ТГ анализов Рис. 2. Результаты ДСК анализов размолотых древесных гранул с размолотых древесных гранул с размерами частиц 125 мкм и более размерами частиц 125 мкм и более при скоростях нагрева: 1 — 5; 2 - 10; 3 при скоростях нагрева: I - 5; 2 - 10; 3 - 20 °С/мин - 20 °С/мин

Проведенные эксперименты позволили определить температурные диапазоны и скорость изменения массы древесного топлива при протекании процессов сушки и выхода летучих веществ, а также тепловые эффекты, сопровождающие данные процессы (табл. 3). Установлено, что процесс сушки протекает в диапазоне температур от 20 до 130 °С, процесс выхода летучих веществ от 220 до 825 °С в зависимости от гранулометрического состава и скорости нагрева. Экспериментальные исследования проведены для разной скорости нагрева и гранулометрического состава образцов.

1.1 Термогравиметрический и кинетический анализы биотоплива Кинетические характеристики определяются на основе ТГ данных при трех разных скоростях нагрева, поэтому для их определения были выбраны скорости нагрева образцов 5, 10 и 20 °С в минуту.

Термоанализатор STA 449 F3 Jupiter работает под управлением программного пакета Proteus, с помощью которого проводились все необходимые измерения и обработка полученных результатов.

Используя программное обеспечение Netzsch Thermokinetics 3, были получены значения энергии активации для заданного диапазона температур процесса выхода летучих веществ. Термогравиметрические исследования проводились в инертной и воздушной средах.

Результатом термогравиметрического исследования являются ТГ, ДТГ и ДСК кривые, иллюстрирующие убыль и скорость убыли массы от температуры, а также тепловые эффекты, протекающих реакций. Полученные данные сведены в таблицу 3. На рисунках 3,4 приведены ТГ и ДСК кривые в воздушной и инертной средах.

Таблица 3. Результаты комплексного термического анализа твердого биотоплива в воздушной и инертной средах_

1 серия опытов для сухостойной древесины сосны

Исследуемый образец Температурные диапазоны, °С

Сушка Выход летучих

Среда воздух Ar воздух Ar

сосна, сухостои середина 20...117 20...122 204...345 (319*) 217. ..379 (365)

2 серия опытов для пеллет из сосны

Исследуемый образец Температурные диапазоны, °С

Сушка Выход летучих

Среда воздух А г воздух Аг

пеллеты из сосны 20...93 20...123 204. ..349 (331) 219...381 (357)

пеллеты из березы 20...105 20...119 206...343 (330) 214...381 (362)

3 серия опытов для разных пород древесины

Исследуемый образец Температурные диапазоны, °С

Сушка Выход летучих

Среда воздух Ат воздух Ат

кора березы 20...93 20...116 209...349 (328) 219...377 (364)

дуб 20...104 20...118 201...341 (322) 215...367 (349)

кора дуба 20...102 20...114 205...348 (276) 210...366 (292)

сосна 20...96 20...120 215...344 (332) 224...378 (355)

кора сосны 20...118 20...125 212...339 (315) 222...366 (332)

ель 20...92 20...120 210...340 (330) 221...377 (356)

осина 20...91 20... 120 209...345 (324) 222...369 (348)

* - в скобках указана температура, соответствующая максимальной скорости выхода летучих

Рис. 3. Кривые ТГ и ДСК для образцов сухостоя сосны: 1 - воздушная среда; 2 - инертная среда

Температуря. "С Темпервпра. <

Рис. 4. Кривые ТГ и ДСК для образцов пеллет из сосны: 1 - воздушная среда; 2 - инертная среда

ДТГ. %/мин ДСК, мкВ/мг

Рис. 5. Результаты ТГ, ДТГ и ДСК анализов древесных гранул (пеллет) из ели при скорости нагрева 10 °С/мин в среде аргона

1.2 Математическая модель определения кинетических характеристик

Кинетический анализ был проведен на основе термогравиметрических данных разложения холоцеллюлозы различных видов биотоплива с использованием математических моделей Озава-Флинн-Уолла и Фридмана.

Основа «Модели свободной кинетики» - это преобразование сигнала (теплового потока и потери массы) от степени разложения для каждой стадии разложения. Таким образом, это позволяет рассчитать энергию активации, предэкспоненциальный множитель и другие кинетические параметры для разных стадий процесса разложения. Сосна (аргон) Сосна (аргон)

Сосна (воздух)

Сосна (воздух)

Рис. 6. Результаты кинетического исследования на основе моделей Фридмана и Озава-Флинн-Уолла Выводы

1. По результатам экспериментальных исследований разработана методика проведения комплексного термического анализа: оптимальный гранулометрический состав - частицы от 63 до 125 мкм, масса образца - 5 мг и скорость нагрева - 10 °С/мин.

2. Установлено, что процесс сушки протекает в диапазоне температур от 20 до 130 °С, процесс выхода летучих веществ от 220 до 825°С в зависимости от гранулометрического состава и скорости нагрева.

3. Энергия активации и предэкспоненциальный множитель, полученные в результате термического разложения и горения древесного биотоплива в воздушной среде, имеют следующие значения: для сосны 161 и 12,0; для ели 176 и 14,0; для пеллет из ели 198 и 15,5; для березы 272 кДж/моль и 23,0 1/с. Полученные значения для разных степеней разложения приведены в диссертации (глава 3 таблица 5). Полученные данные используются при моделировании процесса горения в топочном устройстве котлоагрегата на основе диффузионно-кинетической модели (глава 5).

1.3 Морфологический анализ структуры образцов и коксового остатка

Морфология образцов исследовалась с помощью электронного растрового микроскопа (ЭРМ) Zeiss Sigma VP. Характерной особенностью которого является использование технологии GEMINI, обеспечивающей более высокое качество изображений и точность аналитических результатов.

Морфологические изменения были исследованы путем сравнения формы и структуры исходных образцов биотоплива и образцов, прошедших процесс термического разложения (пиролиз) до 700 °С.

Рис.7. Морфология исходного образца Рис. 7а. Морфология коксового березы остатка березы

Структура исходного образца березы, полученная с помощью ЭРМ, имеет волокнистый характер с буграми (рис. 7). После процесса термического разложения, коксовый остаток березы претерпевает значительные морфологические изменения: сформирована пористая структура, отчетливо видно сжатие волокон в процессе выхода летучих веществ (рис. 7а).

Рис. 8. Морфология исходного образца Рис. 8а. Морфология коксового ели остатка ели

Исходная структура ели также имеет волокнистый характер, как и березы (рис.8). В отличие от березы у ели отчетливо видна прямоугольная структура волокна, при этом наблюдаются рытвины и канавы. В коксовом остатке (рис.8а) отчетливо видны поры, средний размер которых 115 нм.

Выводы

В процессе пиролиза древесного биотоплива в основном образуются дополнительные макропоры, что является более точным индикатором реакционной способности поверхности, чем вся ее площадь, включая микропоры. Увеличение реакционной способности коксового остатка может быть достигнуто протеканием реакций пиролиза в основном на поверхности больших пор, что может быть также связано с большей полной поверхностью поры и/или более высокой концентрацией ее активных сторон.

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

Запись хроматограмм проводилась на приборе GC-MSQP2010Plus (Shimadzu), оснащенном системой пиролиза EGA/PY-3030D (FrontierLab, Япония), для обработки полученных результатов использовалось программное обеспечение GCMS Solution 2.72. Компоненты, выделяющиеся в процессе термического разложения, были проанализированы в диапазонах температур: от 40 до 300, 300 - 350, 350 - 400, 400 - 500, 500 - 600 °С.

Таблица 4. Компоненты, выделяющиеся при пиролизе пеллет из ели

Компонент и соответствующая ему площадь пика, % Диапазон температур, °С

40-300 300-350 350-400 400-500 500-600

СО - - 0,41 1,02 1,62

со2 9,23 5,51 6,49 15 12,84

Формальдегид 7 6,03 3,94 - -

Метанол 5,3 1,91 2,2 - -

Фенол и производные - 1,57 0,88 13,43 -

Креозол - 0,3 3,28 2,28 -

Бензол и производные - - - - 6,36

Этилен - - - - 6,25

Вода 64,1 13,59 13,71 54,45 71,35

Пропионовая кислота - 2,48 4,13 - -

Муравьиная кислота 6.98 - - -

Уксусная кислота - 4,64 - - -

Выводы

1. Проведен газохроматографический анализ разных видов биотоплива: сосна, ель, пеллеты из ели. Получены полные ионные хроматограммы для данных образцов в диапазоне температур от 40 до 600°С; выделены основные компоненты газовых смесей биотоплива.

2. Полученные компоненты разделены на 3 группы: фенолы и их производные, кислородсодержащие циклические компоненты, алифатические низкомолекулярные компоненты. Проведено сравнение хроматограмм и компонентов газовых смесей различных биотоплив.

3. На основе анализа газообразных и парообразных компонентов, выделяющихся в процессе термического разложения, установлено, что в температурном диапазоне 400-500 °С компонентный состав, выделяющихся летучих веществ (СО, фенол и его производные), обеспечивает наибольшую теплоту их сгорания.

2. Численное моделирование топочного процесса низкоэмиссионного вихревого котла

Целью является разработка математической модели для анализа процессов, протекающих в топках низкоэмиссионных вихревых котлоагрегатов ПК-10, при помощи пакета программ для численного моделирования 81§гпаР1ате.

Данный программный продукт был предоставлен учеными Красноярского филиала Института Теплофизики СО РАН и Сибирского федерального университета.

Паровой котел ПК-10 СТЭЦ-1 с естественной циркуляцией, П-образной компоновки с призматической топкой размерами по осям труб 7600*9785 мм, с сухим шлакоудалением, предназначен для сжигания каменных углей Интинского месторождения.

Моделирование котла ПК-10 производилось при сжигании каменного угля, древесного биотоплива (опилок) и совместном сжигании угля и биотоплива в пропорции 70 % угля и 30 % опилок (по тепловыделению).

Результаты численного моделирования при сжигании интинского угля приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Результаты численного моделирования (а - поле температур в

продольном сечении топки котлоагрегата (°С); б - концентрация ИОх в продольном сечении топки (кг/кг); в - векторное поле скорости (м/с); г -концентрация С02 в продольном сечении топки (кг/кг))

На выходе из топочной камеры потеря тепла с механическим недожогом составила = 1,08 %, концентрация ЫОх - 452,9 мг/нм3. Температура перед фестоном на отметке 21 м от низа холодной воронки составила 1037 °С.

2.1 Численное моделирование совместного сжигания угля и древесного биотоплива

Для моделирования совместного сжигания угля и опилка топочная камера котельного агрегата ПК-10 была немного модифицирована и представлена на рисунке 10а, расчетная сетка на рисунке 106. Из рисунка 10а видно, что древесное топливо подается в нижние горелки, обозначенные цифрами 5 и 6 и установленные с наклоном вниз. В остальные горелочные устройства 1,2,3,4 подается каменный уголь.

Рис. 10. Топочная камера котельного агрегата ПК-10 (а - модель топочной камеры; б - расчетная сетка топки)

Результаты численного моделирования совместного сжигания угля и древесного биотоплива приведены на рисунке 11.

а б в г

Рис.11 Результаты численного моделирования (а - поле температур в продольном сечении топки котлоагрегата (°С); б - концентрация 1ЧОх в продольном сечении топки (кг/кг); в - векторное поле скорости (м/с); г -

концентрация ССЬ в продольном сечении топки (кг/кг))

Результаты моделирования, тепловые и аэродинамические расчеты показали возможность совместного сжигания древесных опилков (до 30% по тепловыделению) с размолотым углем в топке вихревого низкоэмиссионного котлоагрегата при условии замены существующих дымососов на дымососы Д20*2 с частотой вращения 740 об/мин.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Определены методические параметры проведения экспериментальных исследований, обеспечивающие кинетический режим выполнения комплексного термического анализа древесного биотоплива с целью получения объективной информации о его реакционной способности.

2. Предложена методика определения реакционной способности древесного биотоплива методом комплексного термического анализа для процессов выхода летучих веществ и горения коксового остатка -комплексность подхода к анализу процессов сушки, выхода летучих веществ и горения коксового остатка на основе термических методов анализа, морфологического и газохроматографических анализов.

3. Изучена кинетика процесса термического разложения и горения древесного биотоплива разных пород. Сформирован банк данных по кинетическим характеристикам процессов выхода летучих веществ и горения коксового остатка, а именно энергиям активации и константам скорости реакций, которые использовались при моделировании процесса горения в топочном устройстве.

4. Исследована морфологическая структура древесного топлива и его коксового остатка после процесса термического разложения, что позволило выявить образование дополнительных макропор и увеличение реакционной способности коксового остатка.

5. Проведен газохроматографический анализ процесса термического разложения древесного биотоплива, результаты которого позволили определить температурный диапазон (400-500 °С), когда компонентный состав, выделяющихся летучих веществ, обеспечивает их наибольшую теплоту сгорания.

6. Проведено моделирование топочного процесса низкоэмиссионного вихревого котельного агрегата ПК-10, работающего на угольном топливе, с помощью программного обеспечения 81§таР1ате. Тестирование результатов моделирования с данными промышленных испытаний котлоагрегата показало достоверность применяемой математической модели, что позволило на ее основе исследовать процессы аэродинамики, теплообмена, горения и образования оксидов азота при сжигании интинского каменного угля, древесных опилков и смеси угля с древесным топливом в пропорции 70 + 30 % (по тепловыделению).

7. Разработаны рекомендации по переводу котельного агрегата Е-220/100 на совместное сжигание угля и древесного топлива. Технико -

ь

экономически» расчет показал, что реализация разработанных мероприятий, обеспечит годовую экономию угля 31,8 тыс. т.у.т., кроме этого будет достигнут значительный экологический эффект.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

1. Марьяндышев, П.А. Экспериментальное исследование процесса термического разложения биотоплива / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов, Н.В. Шкаева, В.К. Любов // Вестник Череповецкого государственного университета. -2013. - №4.-С. 22-25.

2. Марьяндышев, П.А. Анализ термогравиметрических данных различных видов древесины / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов. В.К. Любов // Химия твердого топлива. - 2015. -№2. - С. 59-64.

3. Марьяндышев. П.А. Экспериментальное исследование процесса термической подготовки и воспламенения биотоплива / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов. Н.В. Шкаева, В.К. Любов // Международный журнал экспериментального образования. - 2013. - №11. - С.71-76.

4. Марьяндышев, П.А. Изменение морфологической структуры коксового остатка биотоплива в процессе пиролиза / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов, В.К. Любов // Международный журнал экспериментального образования. - 2014. - №8. -С.23-28.

5. Марьяндышев, П.А. Термогравиметрическое и кинетическое исследование торфа и гидролизного лигнина / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов. В.К. Любов // Международный журнал экспериментального образования. — 2014. - №12. -С.20-28.

6. Марьяндышев. П.А. Исследование процессов термического разложения биотоплива и разработка способов повышения эффективности его энергетического использования / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов, В.К. Любов // Международный журнал экспериментального образования. - 2015. - №1. - С.29-37.

7. Марьяндышев, П.А. Исследование состава уходящих газов в процессе термического разложения и горения биотоплива / П.А. Марьяндышев, A.A. Чернов. В.К. Любов. Ж.Ф. Брильяк, Г. Туве // Биотехнологии в химико-лесном комплексе: материалы международной научной конференции 11-12 сентября 2014 г. -Архангельск: Сев. (Арк.) фед. ун-т. - 2014. - С. 209-212.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с указанием фамилии, пменн, отчества, почтового адреса, адреса электронной почты, паименовання организации, должности липа, составившего отзыв, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу:

198095. г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4, СПбГТУРП, диссертационный совет Д 212.231.01

Подписано в печать 20.04.2015. Формат 60^ 84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. 3аказ№3553

Издательский дом имени В Н. Булатова САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56