Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины применительно к камерам сгорания котельных агрегатов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-79-10015

НазваниеРазработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины применительно к камерам сгорания котельных агрегатов

Руководитель Сыродой Семен Владимирович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова древесина, уголь, топливная смесь, термическая подготовка, зажигание, окисление, тепломассоперенос.

Код ГРНТИ44.31.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Анализ прогнозов специалистов показывает, что рост потребления электроэнергии в мире до 2030 года составит 2,4% [1]. На сегодняшний день на тепловых электрических станциях (ТЭС) производится около 36% всей мировой электрической энергии. Большинство этих ТЭС в качестве топлива используют уголь [2]. Последнее связано с тем, что угольное топливо является самым распространённым видом ископаемого топлива на планете [3]. Запасы угля в РФ составляют 19 % от мировых. При этом доля ТЭС, использующих это топливо – 26 %. Однако стоит отметить, что при сжигании угля происходит интенсивное выделение загрязняющих веществ (CO2, SOx, NOx, летучая зола и другие антропогенные продукты сгорания). Большинство из разработанных на настоящее время способов очистки дымовых газов от токсичных оксидов азота и серы основаны на технологических решениях, разработанных еще в прошлом веке. Но при этом в ряде случаев (даже при очень больших затратах на очистку дымовых газов) объем загрязняющих атмосферу выбросов остается значительным. Одним из новых инновационных решений экологических проблем угольной энергетики могут стать специальные топливные композиты на основе угля и древесины (смесевое топливо). Известно [4], что положительный экологический эффект от добавления мелкодисперсной древесины в уголь при формировании смесевого топлива для производства тепла и электроэнергии достигается за счет малого (по сравнению с углем) содержания в древесине углерода, азота и серы. При этом древесина и ее отходы – наиболее распространенный биоресурс. Широкое использование смесевых топлив на основе угля и древесины может позволить существенно расширить сырьевую базу тепловых электрических станций, снизить зависимость ТЭС от угля, а также повысить маневренность и экономичность энергетических установок за счет возможности варьирования содержания древесины в топливе. В энергетической стратегии России на период до 2030 с последующей пролонгацией до 2035 года (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. No 17715-р) обоснована необходимость снижения доли привозных ресурсов в региональных топливно-энергетических балансах [5]. Требования данной стратегии предписывают увеличение объемов выработки тепла и электроэнергии на ТЭС с использованием возобновляемых источников энергии (в том числе отходов лесозаготовительной промышленности) на 4,5 % [6]. По оценкам специалистов [7 – 11] установлено, что объем запасов древесины в России превышает 80 млрд. куб. м. Отходы ее переработки составляют более 30 млн. куб. м в год [8]. В то же время в районы, обладающие большим потенциалом производства древесной биомассы, поставляются твердые и жидкие топлива для местных тепловых электрических станций. Интерес к использованию древесной биомассы также обуславливается постоянно возрастающими требованиями к экологической безопасности [9,10] объектов тепло-электрогенерации, а также ростом цен на угольное и мазутное топливо [11]. Россия и многие другие государства ведут исследования по использованию в энергетике различных видов смесевых топлив: водоугольных [12,13], органоводоугольных [14,15], на основе отходов лесо- и агропромышленного производства [16,17] и др. Определенных успехов в применении технологий совместного сжигания угля и биомассы добились в таких странах как Финляндия, Швеция, Китай, Индия, США, Канада [18]. Однако применение смесевых топлив на тепловых электрических станциях ограничивается отсутствием общей теории воспламенения и горения такого существенно неоднородных древесноугольных композитов. Последнее связано с тем, что термическая подготовка и зажигание любого органического топлива представляют собой сложный многостадийный комплекс термохимических и теплофизических процессов, протекающих в условиях интенсивных фазовых (испарение внутрипоровой и адсорбционной влаги) и термохимических (механотермическое разложение твердого топлива, выход летучих и их воспламенение, зажигание кокса). При этом стоит отметить, что, как правило, эти процессы, протекают совместно и имеют цепной характер. Немаловажным является и то, что интегральные характеристики процесса термической подготовки топлива к сжиганию для древесины и угля существенно отличаются [19]. Это обусловлено существенно различающимися химимческими структурами топлива. Последнее может привести к значительной неоднородности температуры факела (при совместном пылевидном сжигании угля и древесины) и потери мощности котельного агрегата. Подводя итог можно сказать, что изучение процессов термической подготовки и зажигания топливных смесей на основе угля и древесины на сегодняшний день является актуальнейшим направлением в современной энергетике. Авторами данного проекта сформулирована гипотеза о механизме зажигания частиц древесноугольного топлива с учетом совместного протекания основных процессов тепломассопереноса (испарение влаги (адсорбированной и связанной), термическое разложение органической части топлива, термохимическое взаимодействие водяных паров и углерода, окисление продуктов пиролиза кислородом воздуха). В ее основе лежит предположение о ведущей роли процессов пиролиза (как наиболее энергозатратных) в формировании «стока» тепла, приводящего к существенному затягиванию периода термической подготовки, соответственно, и всего процесса зажигания. Планируется проведение экспериментальных исследований воспламенения частиц древесноугольного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных агрегатов. С этой целью будут сконструированы и изготовлены экспериментальные стенды для изучения процессов зажигания топливных частиц в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных агрегатов. В экспериментах будут моделироваться процессы, протекающие в топках котельных агрегатов. Это позволит детально изучить все стадии термической подготовки, протекающие в индукционный период в условиях, соответствующих камерам сгорания. Также будут определены необходимые для стабильного воспламенения температура внутрекотловой среды, оптимальное соотношение в системе уголь/древесина. В результате экспериментальных исследований будут определены времена задержки воспламенения в зависимости от условий работы котельных агрегатов. По результатам анализа экспериментальных результатов будет сформулирована математическая модель физико-химических процессов тепломассопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивных фазовых (испарение воды) и термохимических (термическое разложение органической части топлива, термохимическое взаимодействие водяных паров и углерода кокса, окисление продуктов пиролиза) превращений при радиационно-конвективном нагреве частиц древесноугольного топлива. Будут решены соответствующие задачи зажигания. Верификация математической модели будет проводиться путем сравнения результатов экспериментов и теоретических следствий. По результатам вычислительных экспериментов будут определены критические характеристики зажигания и горения частиц древесноугольного топлива, приготовленных из различных углей (как по марке, так и по месторождениям) и древесины (хвойные, лиственные породы). В результате численного моделирования будут определены оптимальные характеристики диспергирования угля и долевого соотношения компонентов в системе «уголь-древесина». Планируется определить критические характеристики (по температуре внутрикамерной среды) воспламенения древесноугольных топлив. В результате выполнения проекта будет сформирована база данных по условиям зажигания и разработаны рекомендации по выбору конструктивных характеристик камер сгорания котельных агрегатов. Последние (в перспективе) могут стать основой при проведении опытно-конструкторских работ по новым энергоэффективным и экологоперспективным котельным агрегатам. 1.Саломатов В.В. Состояние и перспективы угольной и ядерной энергетик России (обзор)//Теплофизика и аэромеханика, 2009, том 16, № 4. с. 531-544 2.Саломатов В.В. Природоохранные технологии на тепловых и атомных электростанциях. – Новосибирск, – 2006. – 853 с 3.Thielemann T. Schmidt S. Gerling J.P. Lignite and hard coal: Energy suppliers for world needs until the year 2100 — An outlook. International Journal of Coal Geology 72 (2007) 1–14. 4. Alessandro Franco, Ana R. Diaz The future challenges for “clean coal technologies”: Joining efficiency increase and pollutant emission control. Dipartimento d’Energetica “L. Poggi”, Università di Pisa, Via Diotisalvi 2, 56126 Pisa, Italy Received 13 January 2008, Available online 17 November 2008, Volume 34,Issue 3, March 2009, Pages 348–354. 5. Долгушин И.А. Исследование и совершенствование схемы ТЭС с котлом ЦКС для повышения эффективности и улучшения экологических показателей: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.14. - М., 2014. - 166 с. 6. Termuehlen H, Empsperger W. Clean and efficient coal fired power plants. New 4. International Energy Agency. Key world energy statistics 2007. Paris Cedex 15, France: International Energy Agency (IEA); 2007. See also /http://www. iea.org. 7. BP Statistical Review of World Energy. BP, London, UK, June 2008. http://www.bp.com. 8. Федюхин А.В. Разработка комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на основеисследования процессов пиролиза и газификации биомассы: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.14. - М., 2014. - 157 с. 9. Исламова С.И., Вачагина Е.К. Исследование эффективности преобразования энергии при термической утилизации древесной биомассы // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2015. - No 9-10. - С. 3-11. 10. Heinzel T, Siegle V, Spliethoff H, Hein KRG. Investigation of slagging in pulverized fuel co-combustion of biomass and coal at a pilot-scale test facility // Fuel Process Technology – 1998. V. 54. – P. 109 – 125. 11. M. Muthuraman A comparative study on cocombustion performance of municipal solid waste and Indonesian coal with high ash Indian coal: a thermogravimetric analysis / M. Muthuraman, T. Namioka, K. Yoshikawa // Fuel Processing Technology. – 2010. V. 91. – P. 550. 12. Syrodoy S.V. The influence of heat transfer conditions on the parameters characterizing the ignition of coal-water fuel particles / Syrodoy, S.V., Kuznetsov, G.V., Salomatov, V.V. // Thermal Engineering. – 2015. V. 62. – P. 703 – 707. 13. Kuznetsov G.V. Numerical simulation of ignition of particles of a coal-water fuel / Kuznetsov G.V., Salomatov V.V., Syrodoy S.V. // Combustion, Explosion and Shock Waves. – 2015. V. 51. – P. 409 – 415. 14. Vershinina K.Y. Differences in the ignition characteristics of coal-water slurries and composite liquid fuel / Vershinina K.Y., Glushkov D.O., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. // Solid Fuel Chem. – 2016. V. 50. – P. 88. 15. K. Yu. Vershinina Experimental Study of the Ignition of Single Drops of Coal Suspensions and Coal Particles in the Oxidizer Flow [Electronic resource] / K. Yu. Vershinina [et al.] // Journal of Engineering Physics and Thermophysics Scientific Journal. – 2017. V. 90. – P. 198 – 205. 16. European Bioenergy Networks, Biomass Co-firing – An Efficient Way to Reduce Greenhouse Gas Emissions, 2003, http://www.eubionet.vtt.fi. 17. Agnieszka Plis. Furniture wood waste as a potential renewable energy source / Agnieszka Plis, Michalina Kotyczka-Morańska, Marcin Kopczyński, Grzegorz Łabojko // Thermal Analysis and Calorimetry. – 2016. V. 125. – P. 1357 – 1371. 18. Abbasi T. Abbasi S.A. Biomass energy and the environmental impacts associated with its production and utilization// Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 919–937 19. Juan Riaza, Jon Gibbins, Hannah Chalmers. Ignition and combustion of single particles of coal and biomass//Fuel 202 (2017) 650–655

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сыродой С.В., Кузнецов Г.В., Гутарева Н.Ю., Косторева А.А. Косторева Ж.А. Ignition of the wood biomass particles under conditions of nearsurface fragmentation of the fuel layer Fuel, 252, 19-36 (год публикации - 2019)
10.1016/j.fuel.2019.03.126

2. Сыродой С.В., Кузнецов Г.В., Саломатов В.В, Гутарева Н.Ю. Effect of high-temperature gas flow on ignition of the water-coal fuel particles Combustion and Flame, V. 203, p. 375–385 (год публикации - 2019)
10.1016/j.combustflame.2019.02.025

3. Нигай Н.А., Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю. Estimation of energy consumption for drying of forest combustible materials during their preparation for incineration in the furnaces of steam and hot water boilers ENERGY SOURCES, PART A: RECOVERY, UTILIZATION, AND ENVIRONMENTAL EFFECTS (год публикации - 2019)
10.1080/15567036.2019.1604910

4. Сыродой С.В., Саломатов В.В. Влияние фильтрационного теплопереноса на характеристики и условия воспламенения частиц водоугольного топлива Теплофизика и Аэромеханика (год публикации - 2019)

5. Мамонтов Г.Я., Янковский С.А., Чередник И.В., Толокольников А.А., Зенков А.В. Ignition of floating particles of dispersed fuel mixtures based on coal and fine wood Fuel Processing Technology (год публикации - 2019)

6. Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Кузнецов Г.В., Саломатов В.В. Mathematical and physical modeling of the water-coal fuel particle ignition with a liquid film on the surface Energy Reports (год публикации - 2019)

7. Сыродой С.В., Кузнецов Г.В., Косторева А.А., Косторева Ж.А. Ignition of a group of woody biomass particles Renewable Energy (год публикации - 2019)

8. Сыродой С.В., Кузнецов Г.В., Гутарева Н.Ю., Малышев Д.Ю., Косторева Ж.А. Ignition of bio water-coal fuel drops Fuel (год публикации - 2019)

9. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Саломатов В.В., Гутарева Н.Ю. About the choice of the kinetic scheme of oxidation reactions of the gaseous products of coal pyrolysis during induction period at ignition of the water-coal fuel particles International Journal of Heat and Mass Transfer (год публикации - 2019)

10. Кузнецов Г.В., Янковский С.А., Толокольников А.А., Чередник И.В. Ignition of mixed fuels granules based on coal and finely dispersed wood Energy (год публикации - 2019)

11. Сыродой С.В., Косторева Ж.А., Косторева А.А., Асадуллина Л.И. Ignition of wood and coal particle mixtures in conditions of steam and water boiler furnaces Journal of the Energy Institute (год публикации - 2019)

12. Сыродой С.В., Кузнецов Г.В., Саломатов В.В., Гутарева Н.Ю. Choice of the Kinetic Scheme of Oxidation Reactions of the Gaseous Products of Coal Pyrolysis during Induction Period at Ignition of the Water−Coal Fuel Particles energy and fuels (год публикации - 2019)
10.1021/acs.energyfuels.9b01728

13. Сыродой С.В., Косторева Ж.А., Косторева А.А., Асадулина Л.И. Ignition of wood and coal particle mixtures in conditions of steam and water boiler furnaces Journal of the Energy Institute, 93, 2, 443-449 (год публикации - 2020)
10.1016/j.joei.2019.07.007

14. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Саломатов В.В. Mathematical and physical modeling of the water-coal fuel particle ignition with a liquid film on the surface Energy Reports, 6. 628-643 (год публикации - 2020)
10.1016/j.egyr.2020.02.006

15. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Пурин М.В. Mathematical modeling of the thermophysical and thermochemical processes leading to sequestration of nitrogen oxides during the watercoal fuel combustion Fuel (год публикации - 2020)

16. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Косторева Ж.А., Косторева А.А., Нигай Н.А., Characteristics and conditions for ignition of bio-coal mixtures based on coal and forest combustible material Journal of the Energy Institute (год публикации - 2020)
10.1016/j.joei.2020.04.013

17. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Ж.А. Косторева., А.А. Косторева. Ignition of a group of woody biomass particles Combustion Science and Technology (год публикации - 2020)

18. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Косторева Ж.А., Малышев Д.Ю The ignition of bio-coal-water fuel particles based on coals different degree metamorphism Energy, Volume 201, 15 June 2020, 117701 (год публикации - 2020)
10.1016/j.energy.2020.117701

19. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Нигай Н.А., Theoretical justification of utilization of forest waste by incineration in a composition of bio-water-coal suspensions. Ignition stage Applied Thermal Engineering (год публикации - 2020)
10.1016/j.applthermaleng.2020.115034

20. Сыродой С.В., Малышев Д.Ю., Щеголихина Ю.В. Changing the characteristics of the ignition process of hydrocarbon fuels when used in the third component of charcoal AIP Conference Proceedings, V. 2135, №020035 (год публикации - 2019)
10.1063/1.5120672

21. Сыродой С.В., Саломатов В.В. Влияние фильтрационного теплопереноса на характеристики и условия воспламенения частиц водоугольного топлива Теплофизика и аэромеханика, том 26, № 5, 795-811 (год публикации - 2019)
10.1134/S0869864319050123

22. Нигай Н.А., Кузнецов Г.В., Сыродой С.В., Гутарева Н.Ю., Малышев Д.Ю. A comparative analysis of the characteristics of the water removal processes in preparation for the burning of the typical sawmill waste and forest combustible materials Biomass and Bioenergy (год публикации - 2020)

23. Наумкин А.С. Борисов Б.В. Сыродой С.В. Малышев Д.Ю. Temperature analysis in the heated region of the chamber electric furnace of resistance AIP Conference Proceedings, 2212, 020042 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0001276

24. Малышев Д.Ю., Косторева Ж.А. Наумкин А.С. The Study of Coal-Based Bio-Hydrous Coal Suspensions of Varying Degrees of Metamorphism with The addition of Fine Sawmill and Woodworking Waste AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)
10.1063/5.0000941

25. Сыродой С.В. Валиева Л.Е. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов термической подготовки и зажигания частицы водоугольного топлива АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД И НЕБЕСНОЙ МЕХАНИКИ (год публикации - 2019)
10.17223.978-5-7511-2582-0/7

26. Сыродой С.В., Малышев Д.Ю. Обоснование ресурсоэффективности технологий сжигания водоугольных топлив с добавками биомассы известия томского политехнического университета (год публикации - 2020)

27. А. С. Наумкин, Б. В. Борисов Горение капель водометанольного раствора в факеле газовой горелки Физика горения и взрыва, 56, 3 (год публикации - 2020)
10.15372/FGV20200305

28. Сыродо С.В., Кузнецов Г.В., Гутарева Н.Ю., Иванова (Нигай) Н.А MATHEMATICAL MODELING OF THE THERMOCHEMICAL PROCESSES OF SEQUESTRATION OF SOX WHEN BURNING THE PARTICLES OF THE COAL AND WOOD MIXTURE Applied Thermal Engineering (год публикации - 2021)

29. Д.Ю. Малышев, С.В. Сыродой, Г.В. Кузнецов, Н.Ю. Гутарева, М.В. Пурин, Ж.А. Косторева FOREST WASTE - THE ACCELERATOR OF COAL-WATER SLURRY IGNITION PROCESS Energy (год публикации - 2021)

30. Кузнецов Г.В., Сыродой С.В. Гутарева Н.Ю. Пурин М.В. Mathematical modeling of the thermophysical and thermochemical processes leading to sequestration of nitrogen oxides during the water-coal fuel combustion Combustion Science and Technology (год публикации - 2021)

31. Косторева Жанна Андреевна, Малышев Дмитрий Юрьевич, Сыродой Семен Владимирович ОБОСНОВАНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК ЗАЖИГАНИЯ ЧАСТИЦ ВЛАЖНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ОДНОГО ИЗ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ Известия Томского Политехнического Университета (год публикации - 2021)
10.18799/24131830/2021/02/3046

32. Г.В Кузнецов, С.В. Сыродой, Ж.А. Косторева, Д.В. Малышев, Н.Ю. Гутарева The effect of the distance between wood and coal particles on the characteristics of their joint ignition under conditions of high-temperature radiation-convective heating Journal of the Energy Institute, 97 (2021) 13-26 (год публикации - 2021)
10.1016/j.joei.2021.03.019

33. Нигай Наталья Андреевна, Сыродой Семен Владимирович ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ЗАСЫПКИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЁ СУШКИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРЕВА Известия ТПУ (год публикации - 2021)

34. Иванова (Нигай) Н.А. Кузнецов Г.В. Сыродой С.В. Гутарева Н.Ю. INFLUENCE OF THE TYPE OF WOOD BIOMASS ON THE CHARACTERISTICS OF THE PROCESS OF ITS DEHYDRATION DURING CONVECTIVE HEATING Renewable Energy (год публикации - 2021)

35. Б.В. Борисов., Р.Т. Закиев., А.Н. Наумкин Evaporation of a water-alcoholic solution drop in a high-temperature air flow AIP Conference Proceedings, №2337, 020003-1-020003-7 (год публикации - 2021)
10.1063/5.0046519

Публикации