Псевдоожижение и сжигание биотоплива в многокомпонентных слоях
На правах рукописи
ВИРЯСОВ Дмитрий Михайлович
ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ И СЖИГАНИЕ БИОТОПЛИВА
В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЯХ
05.14.01 – энергетические системы и комплексы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Тамбовский государственный технический университет».
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Кузьмин Сергей Николаевич.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Зейгарник Ю.А.;
кандидат технических наук
Рябов Г.А.
Ведущая организация: ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии.
.
Защита состоится “_____”__________________ 201__ г. в _____ ч. ____ мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан “_____”___________201__ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н. Л.Б. Директор
© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Многокомпонентный псевдоожиженный слой твердых частиц – это слой, состоящий из частиц, резко отличающихся друг от друга по размерам, форме, плотности. Такие слои образуются в нижней части топок с циркулирующим кипящим слоем, когда в слой мелких частиц эквивалентным диаметром 300-1000 мкм вводят определенное количество крупных и тяжелых частиц эквивалентным диаметром 10 мм и более для стабилизации процесса воспламенения и горения твердого топлива и увеличения времени пребывания циркулирующих частиц в придонной части циркулирующего слоя. Такой слой рассматривается как альтернатива обычному циркулирующему слою, так как в нем значительно увеличиваются скорости протекания обменных процессов. В качестве крупных частиц могут использоваться биогранулы. В этом случае, кроме выше перечисленных эффектов от введения в слой крупных частиц, можно достичь существенного снижения эмиссии парниковых газов, золы и окислов серы в атмосферу.
С другой стороны, анализ литературных данных показывает, что процессы перехода в псевдоожиженное состояние таких слоев исследованы недостаточно. Более того, известные экспериментальные методы исследования переходных процессов в системах газ – твердые частицы, в том числе методы экспериментального определения минимальной скорости псевдоожижения, для многокомпонентных систем непригодны. Также отмечается, что в кипящем слое возможно самопроизвольное формирование многокомпонентной системы при агломерации частиц, ведущей, как правило, к прекращению кипения и останову реактора. Диагностика процесса дефлюидизации представляет, таким образом, самостоятельную важную научно-техническую задачу, решение которой позволяет повысить надежность и эффективность работы реакторов с кипящим слоем. Известные методы диагностики дефлюидизации малоэффективны, поскольку не позволяют установить факт появления в слое агломератов частиц, и не проверены для условий работы реальных реакторов с кипящим слоем.
Данная работа выполнялась в соответствии с государственным контактом с Министерством образования и науки РФ № 16.516.12.6002 «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области повышения эффективности вновь разрабатываемых и существующих котлов с кипящим слоем при совместном сжигании низкосортных углей с биомассой» и государственным контрактом № 16.526.11.6010 «Разработка технологии предварительной термической обработки древесных и растительных отходов для получения биотоплива, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.».
Цель работы – исследование псевдоожижения многокомпонентных, в том числе самопроизвольно формирующихся, «холодных» и «горячих» слоев, процесса сжигания в таких псевдоожиженных слоях гранулированного биотоплива с низкой температурой плавления золы.
Научная новизна работы. В области перехода многокомпонентного слоя в состояние псевдоожижения, как при комнатной температуре, так и для условий реального химико-технологического процесса при сжигании биотоплива, установ-лена связь между переходами в системе газ – твердые частицы и средне-квадратичным отклонением пульсаций перепада давления в слое, позволяющая экспериментально определить момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние и значение минимальной скорости псевдоожижения.
Предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя как в «холодном», так и в «горячем» состоянии.
Разработан и экспериментально проверен метод идентификации прекра-щения ожижения, вызванного изменением гранулометрического состава слоя. Метод основан на непрерывном измерении пульсаций перепада давления в слое, определении для них безразмерной амплитуды и сопоставлении полученных результатов с пороговым значением безразмерной амплитуды, определяемым для каждого материала слоя. Полученные результаты позволили быстро и надежно отслеживать появление необратимых изменений состава слоя, приводящих к агломерации частиц и прекращению кипения – дефлюидизации.
Практическая ценность работы. Предложенный метод анализа процесса дефлюидизации может быть использован при эксплуатации аппаратов с кипящим слоем для быстрого реагирования на необратимые процессы, связанные с агломерацией материала слоя.
По результатам исследований процесса горения биотоплива в турбулентном кипящем слое спроектирован, изготовлен и испытан теплогенератор, конструкция топочного устройства которого позволяет реализовать процесс сжигания топлив с низкой температурой плавления золы в бесшлаковочном режиме. На конструкцию котла получено положительное решение о выдаче Евразийского патента на изобретение. Разработанный теплогенератор включен в технологическую схему производства биотоплива с улучшенными технико-экономическими характеристи-ками (государственный контракт № 16.526.11.6010), которое по договору о сотрудничестве между ФГБОУ ВПО «ТГТУ» и ОАО «ПРОДМАШ» от 25 января 2012 г. будет выпускаться ОАО «ПРОДМАШ» с III квартала 2013 г.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Четвёртой международной конференции по защите окружающей среды в промыш-ленных процессах (CISAP 4), 14-17 марта 2010 г., Флоренция, Италия; Между-народной выставке-конференции по возобновляемой энергии, 27 июня – 2 июля 2010 г., Йокохама, Япония; Седьмой международной теплофизической школе, 20- 25 сентября 2010 г., Тамбов; Седьмой Средиземноморской конференции по сжига-нию, 11-15 сентября 2011 г., Кальяри, Италия.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 9 печатных работах, из них: в международных зарубежных реферируемых журналах – 4 публикации, в журналах, рекомендованных ВАК РФ – 3 публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертационной работы составляет 87 страниц машинописного текста, содержит 44 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 63 наименования.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе работы дан обзор современных подходов к исследованию процессов перехода в псевдоожиженное состояние многокомпонентных слоев твердых частиц. Показано, что для систем газ – твердые частицы определение важнейшего технологического параметра – минимальной скорости псевдоожижения – по кривой изменения перепада давления от скорости продуваемого через слой газа невозможно. С другой стороны, предложенный метод определения минималь-ной скорости псевдоожижения по изменению численных значений статистических характеристик пульсации перепада давления в слое [1] не проверен для многокомпонентных слоев и реальных физических условий, возникающих, например, при горении твердого топлива в слое.
Изменение зависимости численных значений статистических характеристик случайного процесса пульсации перепада давления в слое от скорости газа может быть связано с изменением фракционного состава слоя в связи с появлением в нём агломератов частиц, что может привести к дефлюидизации слоя.
Мониторинг процесса дефлюидизации имеет важное прикладное значение для обеспечения надежности и эффективности работы аппаратов с кипящим слоем. Однако предложенные ранее методы мониторинга дефлюидизации имеют существенное ограничение и применимы только для слоев мелких частиц и для малых чисел псевдоожижения, а также не проверены в реальных условиях тех-нологических процессов. На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе представлена методика проведения экспериментов. Исследование переходных процессов в многокомпонентных псевдоожиженных слоях проводилось при комнатной температуре на «холодной» модели и при температуре слоя 1200 °С на «горячей» модели при сжигании в слое соломенных гранул.
Для исследования переходных процессов был выбран многокомпонентный кипящий слой, состоящий из частиц угольной золы и биогранул. Выбор такого материала слоя обусловлен наблюдающимся в настоящее время интересом к исследованию процессов совместного сжигания угля и биомассы, а также строительством крупных установок с циркулирующим, в том числе многокомпонент-ным, кипящим слоем, где эти процессы реализуются. Фракционный состав угольной золы представлен в табл. 1.
Таблица 1
Фракционный состав золы
Размер частиц, мм | Массовая доля, % |
до 1,0 | 20,87 |
от 1,0 до 1,2 | 61,79 |
от 1,2 до 1,5 | 5,66 |
от 1,5 до 1,7 | 2,7 |
от 1,7 до 2,0 | 1,8 |
от 2,0 до 2,5 | 1,1 |
от 2,5 до 3,0 | 0,5 |
от 3,0 до 4,0 | 4,1 |
более 4,0 | 1,5 |
Влажность частиц золы в среднем равна 5,35 %; истинная плотность частиц золы – 1680 кг/м3. Характеристики соломенных гранул приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики гранул
Наименование характеристики | Значение |
Диаметр, мм | 7,0 |
Средняя длина гранул, мм | 12,03 |
Отношение диаметра гранулы к средней длине | 0,59 |
Плотность гранулы, кг/м3 | 1190 |
Насыпная плотность гранул, кг/м3 | 487,9 |
Теплота сгорания гранул, мДж/кг | 15,42 |
Содержание золы, % | 4,38 |
Влажность, % | 8,12 |
Зольность в исходном состоянии, % | 6,87 |
Высшая теплота сгорания, МДж/кг | 16,91 |
Низшая теплота сгорания, МДж/кг | 15,52 |
Температура, °С: деформации золы размягчения золы плавления золы жидкоплавкого состояния золы | 940 980 1070 1300 |
Эксперименты на «холодной» модели проводились в аппарате прямоуголь-ного поперечного сечения длиной 485 мм, шириной 194 мм (отношение сторон 1:2,5) и высотой 1500 мм. Аппарат выполнен из акрилового стекла, что позволяло вести визуальные наблюдения. Аппарат опирался на воздухораспределительную решетку с долей «живого» сечения решетки 5 %. Воздух нагнетался воздуходувкой с напором 4000 Па при максимальном расходе воздуха 1350 м3/ч. Расход воздуха регули-ровался с помощью вентиля, установленного на байпасном трубопроводе. Температура воздуха составляла от 20 до 24 °С. Скорость измерялась на выходе из аппарата термоанемометром Delta-OHM HD 2103-1. В каждом опыте проводилось не менее 50 измерений скорости воздуха. Измерение перепада давления в слое производилось с помощью дифференци-ального микроманометра Testo-525. Импульсная трубка с внутренним диа-метром 0,5 мм и длиной 60 мм, разме-щалась в непосредственной близости от воздухораспределительной решетки. Циф-ровой сигнал от микроманометра Testo-525 подавался на персональный компьютер, что позволяло сохранять измеренные значения перепада давления в слое. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Было установлено, что без уменьшения точности измерения более чем на 10 % измерения пульсации перепада давления надо производить через каждые 0,05 с в течение 60 с. Полученное множество случайных значений перепада давления в слое подвергалось математической обработке, а именно определялись:
- математическое ожидание случайного процесса (среднее значение перепада давления в слое за время наблюдения), Па:
Pc = Pj/N, (1)
где Pj – значение j-го измерения перепада давления, Па; N – число измерений;
- среднеквадратичное отклонение пульсации перепада давления, Па:
= ((Pj–Pc)2/N). (2)
Опыты проводились при постоянной массе слоя 16 кг при уменьшении скорости воздуха, продуваемого через слой. Изменение состояние слоя фиксировалось видеокамерой типа Panasonic DVC30. В дальнейшем каждая секунда видеосъемки разбивалась на 25 видеокадров, что позволяло получить последовательные изображения изменения состояния слоя через каждые 0,04 с. В дальнейшем по изображениям определялась высота слоя в любой момент времени, среднее значение максимальной высоты слоя за время наблюдения, среднее значение относительной высоты слоя (Нmax/H0) в данном эксперименте и среднеквадратичное отклонение относительной высоты.
Для исследования влияния температуры на процессы псевдоожижения многокомпонентных слоев был выбран процесс сжигания соломенных гранул в слое собственной золы. Известно [2], что из-за низкой температуры плавления соломенной золы при температуре 850 °С агломераты в слое начинают образовываться уже через 120 с после начала процесса их сжигания, что позволяло изучить процессы псевдоожижения в таких слоях и определить возможность диагностики процесса дефлюидизации по изменению статистических характеристик пульсаций перепада давления в слое. Для этого была разработана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 2. Устройство воздухораспределительной решетки приведено на рис. 3.
Рис. 2. Схема «горячей» экспериментальной установки:
1 – корпус; 2 – топка; 3 – короткие дымовые трубы; 4 – длинные дымовые трубы; 5 – патрубок уходящих газов; 6 – воздухораспределитель первичного воздуха; 7 – воздуховод; 8 – коллектор первичного воздуха; 9 – патрубки подачи вторичного воздуха; 10 – коллектор вторичного воздуха; 11 – воздухораспределитель вторичного воздуха; 12 – патрубок топливоподачи; 13 – передняя дымовая коробка; 14 – задняя дымовая коробка; 15 – патрубок выхода теплоносителя; 16 – патрубок входа теплоносителя; 17 – футеровка топки
Воздухораспределительная решетка реактора имела долю «живого» сечения 5 %. Создаваемый слой имел прямоугольную форму с отношением сторон 1:2,5.
Так же, как и на «холодной» модели, для исследования переходных процессов проводились измерения пульсаций перепада давления в слое. Состав уходящих дымовых газов и их температура измерялся с помощью газоанализатора ДАГ-510, который позволяет измерять содержание О2, СО, СО2, NO, NO2 и SO2 через каждые 15 с и регистрировать полученные значения на персональном компьютере. Температура слоя гранул измеряется термопарой типа ХА, подключенной к прибору Center 306. Измерялись расход гранул, выход очагового остатка и содержание золы в нем.
а б
Рис. 3. Воздухораспределительная решётка и схема подачи воздуха:
а – продольный разрез; б – поперечный разрез
Из реактора периодически отбирались пробы содержимого слоя для контроля изменения фракционного состава слоя и зольности составляющих его частиц. Продолжительность каждого опыта составляла не менее 8 ч при разной нагрузке установки. Производительность установки регулируется за счет увеличения (уменьшения) количества гранул, подаваемых в реактор на горение.
Чтобы определить момент начала процесса образования агломератов в слое и его дефлюидизации весь период наблюдений разбивался на интервалы длительностью 60 с, после чего исследовались статистические характеристики случайного процесса пульсаций перепада давления в слое для каждого из интервалов. Полученные значения статистических характеристик случайного процесса сопоставлялись между собой. Выбор длительности интервала наблюдений обусловлен тем, что в течение 60 с заметных изменений значений перепада давления в слое (за исключением периода дефлюидизации) не происходит. При этом для каждого интервала наблюдений определялись: математическое ожидание случайного процесса (среднее значение перепада давления в слое за время наблюдения) по зависимости (1), среднеквадратичное отклонение пульсации перепада давления по зависимости (2), безразмерная амплитуда пульсации перепада давления по зависимости
= / Pc. (3)
В третьей главе изложены результаты экспериментов. В экспериментах на «холодной» модели при содержании в смеси более 40 % частиц золы наблюдается фракционное расслоение материала слоя. Поэтому в дальнейшем анализировались только данные, полученные для смесей, содержащих 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 и 100 % (по массе) биогранул и соответствующее количество золы.
Темной полосой на графиках (рис. 4) выделен диапазон скоростей воздуха, при которых происходит процесс псевдоожижения смеси частиц гранул и угольной золы согласно визуальным наблюдениям. Величина Umf уменьшается с ростом доли частиц угольной золы в смеси: для слоя биогранул Umf равна 2,4 м/с, для слоя, содержащего 15 % частиц угольной золы – 2,1 м/с, 45 % – 1,75 м/с. С увеличением доли биогранул в смеси от 40 до 80 % наблюдается уменьшение относительной высоты слоя: слой, содержащий 80 % гранул, практически не расширяется, тогда как у слоя, содержащего 40 % гранул, рабочая высота в 2 раза превосходит высоту неподвижного слоя. С дальнейшим ростом доли гранул в смеси относительная высота слоя начинает вновь увеличиваться, т.к. в слое начинают образовываться более крупные газовые пузыри [3], которые при своем разрушении вызывают более резкие колебания верхней границы слоя и рост относительной высоты слоя. Рабо-чая высота слоя, состоящего из одних только биогранул, в 1,5 раза превышает высоту неподвижного слоя.
По графикам на рис. 4 сложно определить значение Umf. Наблюдается либо монотонный рост перепада давления с увеличением скорости воздуха, продувае-мого через слой (для слоев, содержащих от 80 до 100 % гранул), либо резкие колебания этого перепада (для слоев с меньшей концентрацией гранул). С другой стороны, графическую зависимость = f(U) можно использовать для эксперимен-тальной оценки Umf (рис. 5). С достижением скоростью воздуха значения Umf наблюдается резкий рост значений. Как следует из рис. 5, при полном псевдоожижении слоя зависимость = f(U) можно аппроксимировать прямой линией. При этом скорости начала перехода слоя в режим псевдоожижения может быть сопоставлена точка пересечения полученной прямой с осью абсцисс.
Отсюда следует алгоритм определения Umf:
1) измеряются пульсации перепада давления в слое при нескольких значениях скорости газа, продуваемого через слой;
2) определяются значения среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления при различных скоростях продуваемого газа;
3) участок, соответствующий быстрому увеличению значений средне-квадратичного отклонения, линейно аппроксимируют методом наименьших квад-ратов;
4) значение скорости газа, соответствующее пересечению полученной прямой с осью абсцисс, является скоростью полного псевдоожижения многокомпонентного слоя при комнатной температуре.
Рис. 4. Зависимость перепада давления в слое от скорости воздуха для смеси угольной золы и гранул (доля золы в смеси указана на поле рисунка)
Предложенный алгоритм позволяет определять значение минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя в работающем аппарате без его остановки и осаждения слоя.
В ходе экспериментов на «горячей» модели для определения размера частиц, составляющих исследуемый слой, через 40 и 90 мин после начала опыта были отобраны и подвергнуты рассеву пробы материала слоя. Результаты анализа материала слоя представлены на рис. 6. Гранулометрический состав слоя с течением времени меняется незначительно. Зафиксированное уменьшение доли частиц размером менее 1 мм вызвано их уносом из топки котла.
а б
Рис. 6. Фракционный состав материала слоя:
а – 40 мин после начала опыта; б – 90 мин после начала опыта
На рис. 7 представлено изменение перепада давления в слое от расхода первичного воздуха, подаваемого на горение, при теплопроизводительности установки равной 50, 75 и 100 % номинальной при температуре слоя около 1200 °С. Видно, что момент перехода слоя в кипящее состояние «размыт» и судить по кривым на рис. 7 о начале псевдоожижения затруднительно. Можно предположить, что псевдоожижение слоя горящих биогранул наступает при расходе дутьевого воздуха 0,4-0,5 кг/с или скорости воздуха 2,4-3,0 м/с.
Рис. 7. Зависимость перепада давления в слое горящих гранул
от расхода первичного воздуха
В переходной области от неподвижного к псевдоожиженному слою наблюдается монотонное снижение среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления (рис. 8). Слой переходит сразу из неподвижного в режим турбулентного псевдоожижения [4].
а) б)
Рис. 8. Зависимость среднеквадратичного отклонения перепада давления в слое горящих гранул от расхода воздуха для работы котла:
а – в номинальном режиме; б – при 75 % нагрузки
Таким образом, при высокой температуре слоя при горении в нем биотоплива изменение численных значений статистических характеристик пульсаций перепада давления в слое, так же, как и при комнатной температуре, может быть использовано как критерий для оценки перехода из неподвижного в псевдоожиженное состояние. Как следует из рис. 8, при переходе слоя в режим турбулентного псевдоожижения зависимость = f(U) выражается прямой линией. Алгоритм определения Umf аналогичен алгоритму определения минимальной скорости псевдоожижения для «холодной» модели.
Можно показать, что причиной разного характера изменения зависимости = = f(U) при комнатной температуре и при сжигании биотоплива является изменение значений физических характеристик псевдоожижающей среды при температуре горения. Для этого была рассчитана скорость начала турбулентного псевдо-ожижения для гранулометрического состава слоя, формирующегося при сжигании соломенных гранул при температуре порядка 1200 °С (см. рис. 6,б).
Расчет произведен по известной зависимости [4]. Результаты расчёта Uc для представлены на рис. 9. Расчетное значение скорости Uc для такого слоя с ростом температуры снижается. При температуре порядка 1200 °С расчетные значения скорости составляет Uc = 1,4-1,5 м/с. То есть при достижении такой скорости газа слой горящих гранул должен находится в состоянии турбулентного псевдоожижения, при переходе к которому значения резко падают, что полностью соответствует результатам наших экспериментов.
С другой стороны, при комнатной температуре расчетное значение Uc (рис. 10) с ростом доли биогранул в смеси повышается, и значения Uc для такого слоя оказываются выше максимальных значений скорости воздуха, при которых велось исследование. То есть при комнатной температуре слой, состоящий из частиц угольной золы и биогранул, в исследованном диапазоне изменения скорости воздуха должен находиться в состоянии пузырькового псевдоожижения. С переходом в состояние пузырькового псевдоожижения значения должны расти с увеличением скорости газа, что полностью соответствует результатам наших опытов на «холодной» модели.
Переход слоя горящих гранул в псевдоожиженное состояние также сопровождается резким падением значений безразмерной амплитуды пульсации перепада давления (рис. 11).
Сопоставление статистических характеристик пульсаций перепада давления в слое (безразмерной амплитуды пульсации), полученных для разных периодов наблюдений за процессом, можно рассматривать как метод мони-торинга процесса образования в слое золо-шлаковых агломератов. Для процесса сжигания соломенных гранул в турбулент-ном кипящем слое установлено, что при значении менее 0,1 слой находится в псевдоожиженном состоянии, и дефлю-идизация в таком слое не наступает.
В дальнейшем слой продолжает находиться в состоянии турбулентного псевдоожижения, о чем свидетельствуют низкие значения безразмерной амплитуды пульсации перепада давления (рис. 12).
Эти наблюдения подтверждаются результатами фракционного анализа зольности: при увеличении продолжительности опыта зольность крупной фракции повышается примерно в 2 раза. Даже если в слое образуются мелкие агломераты, процесс горения коксового остатка в них не прекращается, что позволяет предполагать очень небольшие потери топлива от механической неполноты сгорания. Следовательно, можно говорить о бесшлаковочном сжигании соломенных гранул в турбулентном кипящем слое.
Рис. 12. Отрезок графика изменения безразмерной амплитуды в ходе опыта при сжигании гранул в турбулентном кипящем слое
Через 40 мин после начала опыта крупные частицы имеют зольность не более 20 % и представляют собой, очевидно, частицы коксового остатка гранул (рис. 6,а). Более мелкие частицы имеют зольность от 60 до 80% и являются практически полностью сгоревшими частицами биотоплива. При продолжении опыта зольность частиц, наполняющих слой, повышается. Практически все фракции частиц имеют зольность около 90 % и крупные частицы представляют собой мелкие агломераты спекшихся частиц соломенной золы.
Отсутствие дефлюидизации в слое подтверждается результатами измерений температуры дымовых газов за установкой, коэффициента избытка воздуха и концентрации окиси углерода в дымовых газах: наблюдаются пульсации значений этих характеристик, однако, монотонного роста, свидетельствующего о прекращении горения из-за образования крупных агломератов и дефлюидизации, не наблюдается.
В четвертой главе рассмотрены практические аспекты результатов настоя-щего исследования. Для реализации технологии турбулентного кипящего слоя, обеспечивающего бесшлаковочное сжигание биотоплив с низкой температурой плавления золы, была разработана специальная конструкция топочного устройства и теплогенератора. Экспериментальный образец теплогенератора был изготовлен ЗАО СМНУ «Воскресенское» (г. Воскресенск, Московской области) по договору № 110935 от 21 сентября 2011 г. и в настоящее время проходит испытания в соответствии с государственным контрактом № 16.516.12.6002. На конструкцию котла автором получено положительное решение Евразийского патентного ведомства на выдачу патента на изобретение (решение Евразийского патентного ведомства о выдаче патента на изобретение «Котел для совместного и раздельного сжигания угля и биогранул», заявка № 201101501/31 от 13.10.2011 г.). Данный теплогенератор будет использован при выполнении проекта по государственному контракту № 16.526.11.6010, заключенного ФГБОУ ВПО «ТГТУ» с Министерством образования и науки РФ. Теплогенератор включен в технологическую линию для химико-термической обработки биомассы с целью улучшения ее технико-экономических показателей (влагостойкости, объемного теплосодержания, сокраще-ния затрат на транспортировку и сокращения выбросов парниковых газов при производстве и транспортировке). Теплогенератор в составе линии для химико-термической обработки биомассы будет производится на ОАО «Продмаш» (Ростов-на-Дону) с третьего квартала 2013 г.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
- Доказана применимость метода оценки минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя по кривой изменения среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления в слое от скорости воздуха, продуваемого через слой. Для «холодной» и «горячей» моделей был предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения кипящего слоя.
- Были установлены отличия в характере изменения статистических характеристик в экспериментах на «холодной» и «горячей» моделях. При высокой температуре (1200 °С) происходит не рост, а снижение численных значений статистических характеристик пульсации перепада давления, свидетельствующее о переходе слоя в режим турбулентного псевдоожижения, вызванном изменением значений физических характеристик псевдоожижающего газа (плотность, вязкость).
- Сопоставление значений безразмерной амплитуды пульсации давления, полученных для разных периодов наблюдений за процессом, можно рассматривать как метод мониторинга процесса образования в слое золо-шлаковых агломератов. Для процесса сжигания соломенных гранул в турбулентном кипящем слое можно утверждать, что при значении менее 0,1 слой находится в псевдоожиженном состоянии, и процесс дефлюидизации в слое не начинается. Отсутствие дефлюидизации в слое подтверждается результатами измерений температуры дымовых газов за установкой, коэффициента избытка воздуха и концентрации окиси углерода в дымовых газах.
- Разработан и испытан опытный образец теплогенератора с топкой турбулентного кипящего слоя. В экспериментах со сжиганием топлива с низкой температурой плавления золы, склонного к образованию агломератов, КПД теплогенератора составил 78,3-89,8 % в диапазоне регулирования теплопроизводительности от 30 до 100 %. Теплогенератор в составе линии для химико-термической обработки биомассы будет производится на ОАО «Продмаш» (Ростов-на-Дону) с третьего квартала 2013 г.
ЛИТЕРАТУРА
- Puncochar M., Drahos J., Cermak J., Selucky K. Evalution of minimum fluidizing velocity in gas fluidized bed from pressure fluctuations // Chemical Engineering communications. 1985. V. 35 (1-6). Pp. 81-87.
- Hiltunen M., Almark M. Defluidization Time of Different Materials in Fluidized Bed Combustion // Proceeding Swedish – Finnish Flame Days 2005, Bхras, Sweden, 18-19.10.2005. Pp. 28-36.
- Аэров М.Э.,