КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 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

РуководительСыродой Семен Владимирович, Кандидат технических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021  , продлен на 07.2021 - 06.2023. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 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 словадревесина, уголь, топливная смесь, термическая подготовка, зажигание, окисление, тепломассоперенос.

Код ГРНТИ44.31.03


СтатусУспешно завершен


 

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

Ожидаемые результаты
В результате выполнения комплекса экспериментальных и теоретических исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивных фазовых (испарение воды) и термохимических (термическое разложение топлива с учетом многостадийности процесса пиролиза, окисление продуктов пиролиза кислородом воздуха) превращений при интенсивном радиационноконвективном нагреве частиц древесноугольного топлива в индукционный (до зажигания) период времени, будут установлены основные закономерности процессов воспламенения (условия и механизмы зажигания, зависимости основных характеристик процесса от времени, влияние основных значимых факторов на динамику воспламенения). Также будут определены времена задержки зажигания наиболее перспективных топлив. Будет установлено влияние условий теплообмена (температура внешней среды и скорость витания частиц) на характеристики воспламенения древесноугольного топлива. По результатам экспериментальных исследований будет создана база данных - основа для проведения опытно-конструкторских работ по разработке перспективных энергоэффективных и экологоперспективных котельных агрегатов, работающих на древесноугольном топливе. В результате экспериментальных исследований будет разработана математическая модель процессов зажигания частиц древесноугольных топлив в условиях высокотемпературного нагрева. Верификация математической модели будет проведена путем сравнения теоретических и экспериментальных значений основных характеристик процессов воспламенения (времена задержки зажигания группы наиболее типичных и перспективных топлив). Разработанный математический аппарат позволит проводить прогностическое моделирование зажигания частицы древесноугольного топлива. До настоящего времени таких фундаментальных исследований процессов воспламенения существенно неоднородных древесноугольных композитов в условиях интенсивного радиационно-конвективного нагрева не проводилось. Результаты теоретических и экспериментальных исследований станут объективными предпосылками для разработки конкретных топочных устройств котельных агрегатов. По результатам выполнения проекта будет разработана теоретические основы (метематическая модель), метод решения задачи, алгоритм численного решения задчи термической подготовки и зажигания древесноугольных смесей в условиях, соответствующих камерам сгорания типичных котельных агрегатов ТЭС. Последнее позволит проводить прогностическое моделирование процессов воспламенения частиц древесноугольных смесей при интенсивном радиационно-конвективном нагреве. Результаты реализации проекта позволят совершить научно-технический прорыв и существенно сократить технологическое отставание предприятий отечественного котлостроения от Западных (в первую очередь США) и Восточных (Китай, Индия, Япония) конкурентов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В соответствии с планом первого года выполнения проекта были выполнены следующие работы: I) Разработан экспериментальный стенд. В отчетный период выполнения проекта разработан комплекс экспериментальных стендов (два модуля) по изучению процессов тепло- и массопереноса, протекающих совестно в условиях высокотемпературного радиационно-конвективного нагрева частиц древесно-угольного топлива в период индукции. Первый модуль представляет собой вертикально расположенный полый керамический цилиндр, заполненного высокотемпературным (с максимальной температурой нагрева Tmax≈1273K) окислителем (воздухом). Изменение температуры внитрикамерного пространства, обеспечивалось электрическим нагревателем. Температура окислителя контролировалась хромель-алюмелевыми термопарами. Частицы древесноугольного топлива распылялись при помощи пневматического устройства в канал нагретого до высоких температур керамического цилиндра. Видеофиксация всех этапов термической подготовки и воспламенения проводилась высокоскоростной (скорость съемки до 20 000 кад/сек) видеокамерой Photron FASTCAM CA4. Второй модуль представляет собой горизонтально расположенный теплоизолированный полый керамический цилиндр, на внешнюю поверхность которого крепился электрический нагреватель. Концы цилиндра закрывались торцевыми заслонками. Температура воздуха в канале цилиндра контролировалась хромель-алюмелевой термопарой. Вся нагревательная система устанавливалась в теплоизолированном защитном кожухе, закрепленном на подвижной каретке, которая могла передвигаться по рельсовым направляющим. Видеофиксация процессов воспламенения проводилась высокоскоростной видеокамерой. II) Проведены экспериментальные исследований зажигания частиц древесноугольного топлива. 2.1 Воспламенения древесно-угольных топлив на основе углей различной По результатам отчетного периода выполнения проекта установлены зависимости времен задержки зажигания (tign) частиц древесно-угольных смесей на основе двух типичных каменных углей (марок Д (длиннопламенный) и Т (тощий)) от концентрации биомассы (древесины). По результатам экспериментальных исследований установлено значительное влияние древесных отходов лесопиления в качестве катализирующей добавки для интенсификации процесса зажигания топливной смеси на основе диспергированных углей и биомассы. Показано, что при температуре 1073К снижение времени задержки зажигания частиц смесевых топлив на основе угля марки Д с увеличением древесной компоненты на 50 % составило до 38,3 % (с 0,35 сек до 0,29 сек), а при температуре 1473 К до 62,7 % (с 0,16 сек до 0,13 сек). Аналогичные результаты получены для витающих частиц топливной смеси на основе угля марки Т. Установлено, что увеличение температуры в камере сгорания до 1473К приводит к снижению значения времен задержки зажигания до 0,157с для однородного угля и до 0,123с смесевого топлива при соотношении компонент 50/50. 2.2 Зажигание частиц древесно-угольного топлива на базе длиннопламенного угля и типичных отходов лесопиления древесины различных пород Также в отчётный период проекта проведены экспериментальные исследования процесса зажигания древесно-угольных смесей на основе длиннопламенного угля и типичных отходов лесопиления (древесины различных парод (береза, лиственница, сосна)). Древесно-угольное топливо представляло собой смесь относительно крупных частиц древесины (характерный размер до 5 мм) и угольной пыли (с характерными размерами частиц угля 40-60 мкм). Установлено, что процесс зажигания такого топлива можно разделить на два взаимосвязанных и последовательных этапа: на первом инициируется воспламенение малых по размеру частиц угля. В этом случае последние являются своеобразным «ускорителем» термохимической реакции окисления газообразных (летучие) и твердых (кокс) продуктов пиролиза древесины. Показано, что период времени между процессами зажигания угля и древесины незначителен (менее 0,001 сек). По результатам выполненных экспериментов показано, что условия и характеристики зажигания смесей малых (характерный размер 40-60 мкм) по размерам частиц длиннопламенного угля и достаточно крупных частиц древесины определяются процессом зажигания угля, горение которого через очень малый (менее 0,1 с) интервал времени инициирует горение древесины. 2.3 Влияние концентрации и взаимного положения частиц древесины и угля на характеристики процесса зажигания смеси В рамках выполнения проекта проведены экспериментальные исследования условий и характеристик зажигания основных компонентов угольно-древесной смеси при различных концентрациях компонент и расположения частиц древесины и угля относительно друг друга в условиях интенсивного лучистого нагрева. Проведены экспериментальные исследования процессов зажигания частиц угля и древесины (с характерными размерами 3 мм). Было изучено зажигание частиц двух размеров: уголь 2,5-3 мм и древесина 3,5 мм. Установлено, что с ростом Tg от 873К до 1273К влияние концентрации древесной компоненты становится всё менее значимым. Также показано, что при относительно низких температурах внешней среды (≥873К) присутствие частиц древесины в смеси при концентрации 10% приводит к снижению tign угля почти в 2 раза по сравнению с однородным углем, то есть при соотношении 1/9 частица древесины начинает гореть первой и существенно ускоряет процесс зажигание частиц угля. 2.4 Зажигание частиц древесины в условиях приповерхностной фрагментации слоя топлива. По результатам экспериментов установлено существенное влияние процесса фрагментации приповерхностного слоя частицы древесины кубической формы на характеристики и условия ее воспламенения. Показано, что время от начала нагрева до момента воспламенения (появления первого пламени t=tign) для частиц (с характерным размером d=4 мм) с не фрагментированной поверхностью составляло 2.59 с (при температуре внешней среды Tg=1273K). Установлено, что весь период термической подготовки древесины можно условно разделить на ряд последовательных стадий: a) после введения частицы в высокотемпературную среду начинается интенсивный нагрев (за счет конвекции и излучения) топлива. Последний инициирует испарение влаги. b) Дальнейший прогрев топлива приводит к термическому разложению древесины. c) При t=tign после начала нагрева частицы происходит воспламенение летучих. После воспламенения летучих формируется сфера пламени, размер которой в 2÷3 раза превышает начальный размер частицы. Установлены значения времен задержки воспламенения в зависимости от температуры при различных конфигурациях приповерхностных дефектов. Анализ зависимостей показал, что эффект увеличение площади поверхности тепло- и массопереноса оказывает существенное влияние на характеристики и условия зажигания древесины. Так при температуре внешней среды Tg=873K увеличение количества «дефектов» на поверхности древесины приводит к снижению времени задержки зажигания с 21.1c (частица с не фрагментированной поверхностью) до 13.4с (частицы с 4-мя дефектами). 2.5 Воспламенение группы частиц древесного топлива. Проведены исследования процессов зажигания группы частиц (с характерным размером d=3.5мм) древесной биомассы. Установлено, что в группе из трех или четырех частиц верхняя начинает гореть раньше остальных. При этом воспламенение локализуется, как правило, на её ребрах. По результатам статистической обработки экспериментальных данных установлены зависимости времена задержки зажигания от температуры внешней среды. Показано, что при относительно низких температурах внешней среды (Тg<1000 К) значения tign одной частицы заметно отличается от аналогичной величины для трех и четырех частиц, расположенных на расстоянии одного и того же характерного размера одна от другой. Установлено, что при Тg=960 К разность значений tign составляет до 50% от меньшего значения. По результатам проведенных в рамках проекта экспериментов установлено, что первыми в группе из четырех частиц начинают гореть частицы верхнего ряда, которые окружены не только “своими” газообразными продуктами пиролиза, но поступающими из нижнего ряда частиц летучими. Анализ проведенных экспериментов показывает, что при зажигании группы из четырех частиц горение всегда начинается на внешних по отношению к центру симметрии этой группы поверхностях частиц. Это обусловлено доминирующей ролью лучистого нагрева при зажигании большой совокупности частиц. Результаты выполненных экспериментов показывают, что зажигание частиц каждого нижнего ряда происходит с задержкой по отношению к частицам верхнего ряда не более 0,01 с, т.е. практически одновременно при расстояниях между рядами равными характерным размерам частиц. III) Выделены основные этапы термической подготовки и воспламенения частиц смесевых топлив. При выполнении работ в отчетный период выполнена видеофиксация основных стадий процессов термической подготовки и воспламенения частиц древесноугольного топлива при различных условиях нагрева. Анализ результатов экспериментальных исследований процессов совместного зажигания частиц древесины и угля показал, что весь процесс термической подготовки и воспламенения можно условно разделить на ряд последовательных стадий: 1. на первом этапе частицы древесноугольного топлива попадают в высокотемпературную газовую среду и нагреваются за счет конвекции и излучения. Последнее инициирует процесс испарения влаги. 2. Продолжающийся нагрев топлива приводит термическому разложению органической части угля и пиролизу основных компонентов древесины (лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза). 3. В результате пиролиза газообразные продукты термического разложения угля и древесины формируют в малой окрестности топливных частиц парогазовую смесь, воспламеняющуюся при критических значениях температур и концентрациях. 4. На следующем этапе происходит воспламенение летучих. При проведении экспериментов установлено, что при всех исследовавшихся температурных режимах нагрева (873<Tg<1273K) газообразные продукты пиролиза древесины воспламеняются раньше летучих угля. После зажигания летучих древесины существенно интенсифицируется нагрев угольной частицы. 5. На завершающем этапе происходит воспламенение газообразных продуктов пиролиза угля. IV) Разработана физическая модель воспламенения частиц древесноугольного композита в условиях, соответствующие камерам котельных агрегатов. По результатам проведённых в рамках первого года работы по проекту сформулирована математическая модель процесса воспламенения частиц древесноугольного топлива в условиях высокотемпературного нагрева. Предполагается, что в начальный момент времени частицы древесноугольного топлива попадают в высокотемпературную окислительную среду и нагреваются за счет конвекции и излучения. В результате интенсивного нагрева инициируется испарение внтурипоровой и адсорбционно-связанной влаги. Фронт испарения движется от поверхностных слоев в глубинные. В результате формируется пористый каркас сухого топлива с высоким термическим сопротивлением. Дальнейший нагрев древесноугольных частиц приводит к термическому разложению органической части угля и основных компонентов древесины (лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы), сопровождающуюся выходом летучих. Газообразные продукты пиролиза совместно с парами воды и продуктами (CO, H2) его взаимодействия с углеродом кокса фильтруются к нагреваемой поверхности топлива и вдуваются в пристенную область частицы, где формируют парогазовую смесь. Последняя воспламеняется при критических значениях температуры и концентрации. V) Разработана математическая модель процессов воспламенения частиц древесно-угольного топлива. В отчетный период разработана новая (отличающаяся от известных детальным описанием теплофизических, термохимических и аэродинамических процессов, протекающих как в частицах топлива, так и в их малой окрестности) математическая модель процессов тепло- и массопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивных фазовых (испарение влаги) и термохимических (термическое разложение органической части угля, основных компонентов древесины) превращений в индукционный период существенно неоднородных частиц древесноугольных топлив при интенсивном радиационно-конвективном нагреве. Разработанная математическая модель представляет собой систему нестационарных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, включающая в себя: уравнений энергии для топливных частиц (учитывающее теплопроводность, внутрипоровый фильтрационный тепло- и массоперенос, тепловые эффекты термического разложения и термохимического взаимодействия углерода кокса и водяного пара) и газовой области (учитывающее конвективное движения газа, тепловые эффекты термохимического взаимодействия газообразных продуктов пиролиза с окислителем); распределение давления в топливной частицы рассчитывалось из решения уравнения пьзопроводности; скорости движения газовой среды в малой окрестности частицы рассчитывались из решения уравнения Навье-Стокса. Также система уравнений включала в себя уравнения переноса энергии излучения и диффузии основных компонентов газовой смеси (H2O, CO, CH4, CO2, H2, O2). VI) Итоги работы над проектом в отчтеный период По итогам проведенных исследований было опубликовано 4 статьи (в журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science (2 из них из категории журналов включенных в первый квартиль (Combustion and Flame (Q1), Fuel (Q1))), и 1 статья, индексируемых в РИНЦ (Теплофизика и Аэромеханика)). Кроме того, членами коллектива был подготовлен ряд статей (7 статей), которые уже прошли первый этап рецензирования в журналах индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, входящих в категорию журналов включенных в Q1 и Q2 (International journal of Heat and Mass Transfer (Q1), Fuel, Energy (Q1), Journal of Energy Institute (Q2), Renewable Energy(Q1)). Командировки на конференции: Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях Российского и Международного уровня (получены дипломы за лучшие выступления и доклады): 1. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных «XXXIV Сибирский теплофизический семинар», посвящённой 85-летию академика А.К. Реброва, 27-30 августа 2018, ИТ СО РАН, г. Новосибирск. 2. 7-я Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-7), Национального исследовательского университета «МЭИ» 22-26 октября 2018 г. Москва. 3. X Всероссийскую конференцию с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» с 6 по 9 ноября 2018 г, г. Новосибирск. 4. 8-й Международный симпозиум «Неравновесные процессы, плазма, горение и атмосферные явления» (NEPCAP 2018), 1–5 октября 2018 г. в г. Сочи. 5. Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», с 23 по 25 апреля 2019 г, ФГАОУ ВО НИ Томский политехнический университет.

 

Публикации

1. 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).

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

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. 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).

10. 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).

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


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
По результатам выполнения работ по тематике проекта сформулирована уникальная (не имеющая аналогов в мире) физическая модель процесса зажигания и горения существенно неоднородных древесно-угольных топлив в условиях интенсивных фазовых и термохимических превращений. Модель описывает процессы тепло- и массопереноса, протекающие совместно в начальный период горения сущесвтеннонеоднородных древесно-угольных топлив. Учитываются инертный радиационно-конвективный нагрев частиц древесины и угля; испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги; термическое разложение органической части угля и основных компонентов древесины (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин); радиационные теплоперенос в газовой области; термохимическое реагирование газообразных продуктов пиролиза угля и древесины в газовой области и во внутрипоровой структуре топлива; реагирование углерода коска с окислителем и летучими. При разработке физической модели принята цепной характер реагирования летучих угля и древесины с кислородом воздуха. Коллективом проекта выдвинута гипотеза, описывающая процессы секвестирования оксидов азота (NOx) и серы (SOx) в продуктах сгорания котельных смесевых топлив. Предполагается, что доминирующую роль в снижении концентрации (NOx) и (SOx) в продуктах сгорания смесевых топлив играют водяные пары, формирующиеся при испарении влаги. В результате термохимического реагирования оксидов серы и азота с водяными парами формируются пары азотной и серной кислот. Последние реагируют с оксидами металлов образующиеся в пористой структуре угля. Коллективом проекта разработаны математические модели комплекса процессов тепло- и массопереноса, протекающих совместно в условиях интенсивных фазовых (испарения внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги древесины и угля) и термохимических (термическое разложение органической части угля и основных компонентов (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) биомассы; взаимодействие твердых продуктов пиролиза угля и древесины (кокс) с водяными парами, с образованием горючих и негорючих продуктов реакции; термохимическое окисление основных газообразных продуктов пиролиза (метан – CH4; окись углерода – CO; водород – H2; углеводороды - CnHm; сероводород – H2S; цианистый водород - HCN) кислородом воздуха; взаимодействие газообразных продуктов термического разложения биомассы и угля в малой окрестности частиц топлива между собой) превращений в начальный период горения частиц смесевого топлива. При постановке задачи рассматривался достаточно типичный для практики вариант взаимного расположения частиц угля и древесины. В качестве базового варианта принята схема спаренного расположения частиц угля и древесины относительно друг-друга. При разработке математической модели приняты следующие допущения: 1. Принята двумерная (плоская) математическая модель процессов тепломассопереноса. 2. Влияние гравитационных сил незначительно. В реальных условиях среды сгорания паровых и водогрейных котлов, частицы угля и древесины не движутся в режиме свободного падения. Линии тока частиц топлива совпадают (по существу) с линиями тока среды носителя. Поэтому гравитационные силы не оказывают заметного влияния на траектории движения угля и древесных частиц угля размером в сотни микрон. 3. Форма частиц угля и дерева - куб. Область решения проблемы - «угольная частица - частица биомассы - газовая среда». В течение периода термической подготовки частицу угля и древесины условно разделяется на две зоны: исходное (влажное) топливо и сухой твердый каркас. Распределение температуры в такой гетерогенной системе описывается уравнением энергии. Теплофизические характеристики (Λ - теплопроводность, C - теплоемкость, Ρ - плотность) рассчитаны в соответствии с положением фронта испарения воды. Массовая скорость испарения воды рассчитывалась из математического выражения закона Кнудсена-Ленгмюра-Герца. Распределение давления (H) в частицах угля и биомассы рассчитывается при решении уравнении пьезопроводности. Распределение температуры в тонком слое газа вокруг частиц угля и биомассой описывается уравнением энергии. Последнее учитывает экзотермические эффекты реакций окисления летучих воздухом и радиационным теплообменом. Скорость газа в пограничном слое частиц рассчитывалась из решения системы уравнений движения и неразрывности для газовой смеси. Граничное условия 4-го рода принимаются на границе системы «частица топлива (уголь или биомассы) - газовая среда». Интенсивность радиационного теплообмена в пограничном слое частиц была рассчитана при решении уравнения переноса энергии излучения. Принято, что водяной пар вступает в эндотермическое химическое взаимодействие с твердыми продуктами пиролиза угля (кокса). В этом случае учитывалось параллельное протекание двух реакций паровой газификации с образованием трех продуктов реакции (CO2, CO, H2). Также при постановке задачи предполагалось, что водород и диоксид углерода, образующиеся в ходе термохимической реакции паров воды с углеродом кокса и термического разложения угля, вступает в термохимическую реакцию с углеродом кокса. Предполагалось также, что кислород воздуха вступает в термохимическую реакцию с углеродом. Процесс термического разложения органической части угля и основных компонентов описывается уравнением химической кинетики.Одним из основных рассматриваемых процессов является инжекция продуктов термического разложения и химического взаимодействия углерода кокса и водяного пара в «пристенную» область. В результате образуется газовая смесь, которая воспламеняется при достижении критических значений температуры и концентрации. Концентрации компонентов парогазовой смеси в пограничном слое частиц рассчитывали из решения уравнений диффузии для соответствующего компонента реакции. Концентрации компонентов парогазовой смеси в пористой структуре топлива также рассчитывали по уравнению диффузии. Сформулированная задача математической физики решена методом конечных разностей. Аппроксимация двумерных уравнений теплопроводности, диффузии и пьезопроводности проводилась локально-одномерным методом А.А. Самарского с использованием неявной четырехточечной разностной схемы. Аппроксимация уравнения для функции тока проводилась в соответствии с шеститочечной схемой. Аппроксимация конвективных членов выполнена по монотонной разностной схеме А. А. Самарского. Уравнения и граничные условия были аппроксимированы по аналогичной схемой. Уравнение переноса энергии излучения решено Sn-методом. Система уравнений была решена за период времени до достижения условий, соответствующих условиям воспламенения твердого, жидкого и многокомпонентного (композитного) топлива. Поставленная задача воспламенения является существенно нелинейной. Это связано с нелинейными эффектами (испарение внутрипоровой и адсорбционно-связанной воды, термическое разложение, воспламенение летучих). При решении системы разностных уравнений использовался метод итераций с использованием метода релаксации на каждой итерации. В этом случае скорость движения фронта фазового перехода (Vf), массовая скорость испарения (Weva) и температура поверхности фронта испарения (T (reva,t)) связаны явно. Для решения задачи определения скорости испарения и расчета координат поверхности системы «водонасыщенное топливо - сухой каркас» был разработан гибридный алгоритм, основанный на комбинации метода неявного разделения фронта фазового перехода, теория перколяции и метода Монте - Карло. Этот алгоритм основан на итерационной процедуре, основанной на сквозном счете с разрывными коэффициентами и разделении границы раздела между водонасыщенной и сухой зонами углеродистого каркаса топливной частицы. Расчет проводился по следующей схеме: на первом этапе рассчитывалось температурное поле в топливной частице. После этого рассчитывалась массовая скорость испарения в узлах разностной сетки, соответствующих фронту фазового перехода. Координаты фронта фазового перехода рассчитывались с использованием элементов теории перколяции с в сочетании с методом Монте-Карло. Кластеризация ячеек был проводилась в соответствии с алгоритмом Хошена-Капельмана. Расчет проводился по следующей схеме: с использованием генератора случайных чисел выбиралась ячейка разностной сетки. После этого была проведена проверка на содержание влаги зоне, соответствующей этой ячейке. После этого в ячейках рассчитывалась массовоя скорость испарения и, соответственно, массу испарившейся влаги. Если выбранная расчетная ячейка была кружена водонасщенным слоем, то расчет в ней не проводился. На следующем этапе были определялись координаты нового положения фронта испарения. На основании результатов расчетов положения границы раздела между сухой и водонасыщенными зонами, устанавливались теплофизические характеристики в каждом узле разностной сетки в соответствии. После этого расчеты были выполнены снова. Итерации выполнялись до тех пор, пока разность температур в каждом узле разностной сетки на двух последовательных итерациях не стала меньше указанной допустимой погрешности. Проверка консервативности разностной схемы проводилась методом теплового баланса. По результатам численного моделирования установлены интегральные характеристики (времена задержки воспламенения - tign) процесса воспламенения частиц смесевого топлива (уголь/биомасса). Сравнительный анализ значений теоретических и экспериментальных значений tign показал их хорошее соотношение Установлены температурные поля и изолинии функции тока в момент воспламенения частиц биомассы и угольного топлива. Установлено, что зажигание частицы биомассы происходит на значительном расстоянии от поверхности частицы древесины. Анализ изолиний функции тока показал, что в малой окрестности частиц древесно-угольной смеси образуется сложная структура течений с нисходящими (у поверхности частиц) и восходящими (на некотором расстоянии от поверхности) потоками смеси паров, газов и окислителя. Показано, что воспламенение происходит нижней полусфере частицы. По результатам численного моделирования установлены поля интенсивности излучения (Γ) в малой окрестности частиц топлива в момент воспламенения газообразных продуктов пиролиза древесины. Установлено, что максимум интенсивности излучения сконцентрирован в области интенсивного термохимического реагирования летучих с окислителем. Асимптотический анализ, проведенный по результатам моделирования, показал, что весь период воспламенения можно условно разделить на два этапа: период термической подготовки к зажиганию и непосредственное термохимическое реагирование. При этом период термической подготовки занимает около 90% от всего значения tign. По результатам численного моделирования установлены, поля концентраций NOx, SOx в момент воспламенения частиц древесно-угольной смеси при различных значениях влагосодержания (φ) частицы биомассы. Установлено, что оксиды азота и серы формируется, как правило, в малой окрестности частицы угля, в то время как вокруг древесной частицы их практически не образуется. Показано, что увеличение φ приводит к снижению концентрации NOx и SOx в малой окрестности частицы. По результатам моделирования установлены концентрации азотной и серной кислот, а также водяных паров в момент воспламенения частиц древесно-угольного смесевого топлива. Показано, что H2SO4 и HNO3 формируются в области между частицами топлива. Результаты исследований были представлены на конференциях различного уровня (получены дипломы за лучшие выступления и доклады): Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных «XXXV Сибирский теплофизический семинар», посвящённой 75-летию профессора Виктора Ивановича Терехова, 27-29 августа 2019, ИТ СО РАН, г.Новосибирск (4 доклада). Всероссийская научная конференция с международным участием «XI Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (Scientific Conference “Thermophysics and Power Engineering in Academic Centers”, TPEAC-2019) 21-23 октября 2019, Санкт-Петербург (2 доклада). VIII Всероссийской научной конференции с международным участием. Теплофизические основы энергетических технологий. 09 – 11 октября 2019 г. Томский политехнический университет. (4 доклада)

 

Публикации

1. - Ученые выяснили, какая форма опилок поможет создать дешевое и экологичное топливо Название: Газета.Ru (Gazeta.Ru) Учредитель: АО «Газета.Ру» Адрес учредителя: 125239, Россия, Москва, Коптевская улица, дом 67 Адрес редакции и издателя: 117105, г. Москва, Варшавское шоссе, д.9, стр.1 Главный редактор: Алексеева Ольга Валерьев, Газета.ru раздел Наука (год публикации - ).

2. - Российские ученые выяснили, как правильно сжигать опилки Сетевое издание РИА Новости зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) 08 апреля 2014 года. Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-57640 Учредитель: Федеральное г, РИА Новости (год публикации - ).

3. - Исследователи выявили, какие опилки лучше всего горят RAMBLER&Co Россия, 117105, Москва, Варшавское шоссе, д. 9, стр. 1 БЦ «Даниловская Мануфактура», «Ряды Солдатенкова» 1, 2, подъезд 5 Телефон +7 (495) 785-17-00 доб. 1192 Почта info@indicator.ru, - (год публикации - ).

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

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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. 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).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. 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).

15. 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).

16. 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).

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

18. 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).

19. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчетный период выполнения проекта выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих в период термической подготовки и зажигания частиц древесно-угольного топлива применительно к камерам сгорания котельных агрегатов. Было проанализировано влияние группы значимых факторов на характеристики и условия воспламенения: расстояние между частицами угля и древесины на характеристики и условия совместного зажигания, температура внешней среды, вид древесины, влажность древесной биомассы. Разработаны математические модели процессов зажигания и горения частиц многокомпонентных топлив на основе угля: древесно-угольное, био-водоугольное и водоугольное топливо. Также разработана математическая модель процесса горения большой совокупности частиц композиционного топлива (факел) в модельной вихревой камере сгорания. Показано, что Также по результатам математического моделирования была апробирована гипотеза, описывающая термохимические процессы, протекающие в индукционный период времени и приводящие к секвестрованию оксидов серы и азота в продуктах горения композиционного топлива. Эта гипотеза базируется на предположении о абсорбировании водяным паром, формирующимся при испарении внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги в период термической подготовки топлива, диоксида азота (NO2) и трехокиси серы (SO3). При этом показано, что разработанный механизм снижения концентрации в продуктах сгорания применим при прогнозирования древесно-угольного и водоугольного топлива. По результатам математического моделирования проанализирована динамика горения совокупности частиц древесно-угольного топлива в модельной вихревой камере сгорания. Показано, что линии тока частиц древесины и биомассы по своей топологии конгруэнтны линиям тока несущей высокотемпературной среды. При этом показано, что времена задержки зажигания частиц биомассы и угля при размерах последних ≤40 мкм практически идентичны. Также по результатам проведённых теоретических исследований проведен асимптотический анализ, который показал, что весь период воспламенения условно можно разделить на два этапа: период термической подготовки к воспламенению и прямой термохимической реакции. В этом случае время термической подготовки составляет около 90% от общей стоимости. Соответственно, можно сделать разумный вывод о том, что на условия воспламенения топлива в первую очередь влияют процессы тепломассопереноса, происходящие в период времени, предшествующий воспламенению. Химическая кинетика процессов взаимодействия газового топлива с кислородом воздуха существенно менее существенно влияет на численное значение времен задержки воспламенения. Анализ влияния расстояния (d) между частицами угля и древесины на динамику воспламенения показал, что величина d оказывает существенное влияние на скорость воспламенения. Показано, что при Tg = 873 K существует оптимальное по условиям зажигания среднее расстояние (d≈5–6 мм) между частицами топлива, при котором tign стремится к min(tign). Также по результатам проведенных в отчетный период работ в рамках гранта обосновано использование в качестве ускоряющей процесс зажигания котельных водоугольной суспензии добавки лесного горючего материала на основе листового и хвойного опада, а также древесного угля. Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований показывает, что добавление 10% биомассы может значительно (до 30%) уменьшить время задержки воспламенения био-водоугольного топлива при относительно низких температурах (Tg ≤ 1073 K). В то же время при высоких температурах окислителя (Tg ≥ 1273 K) значения tign ВУТ и Био-ВУТ различаются незначительно. Установлено, что вид ЛГМ не оказывает существенного влияния на продолжительность индукционного периода. По этой причине опавшие листья деревьев не нуждаются в сортировке, что значительно снизит затраты на производство топлива. Было обнаружено, что уменьшение диаметра капли Био-ВУТ с 3 мм до 2 мм приводит к сокращению периода индукции почти вдвое. Разработана математическая модель воспламенения нового класса топлива Био-ВУТ, которая отличается от хорошо известного наиболее подробного (в настоящее время) описания теплофизических и термохимических процессов, протекающих в индукционный период времени. Проведен анализ влияния гомеоморфности частиц древесины на характеристики и условия зажигания. Показано существенное немонотонное влияние размеров древесных частиц на времена их зажигания. Также проведен анализ влияния ориентации древесных частиц в пространстве на характеристики и условия зажигания, а также распространения пламени в пограничном слое частицы. Установлено, что ориентация волокон древесной частицы в пространстве не оказывает значимого влияния на характеристики и условия зажигания частиц древесной биомассы. В тоже временные характеристики процесса распространения пламени в пограничном слое частицы значительно зависят от расположения волокон древесины в пространстве.

 

Публикации

1. - Цитируемые ученые: биоэлектроды, получение керамического кирпича и определение красителей. Служба новостей Томского Политехнического университета, Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант 18-79-10015). (год публикации - ).

2. - Характеристики и условия зажигания био-угольных смесей на основе угля и лесного горючего материала (Characteristics and conditions for ignition of bio-coal mixtures based on coal and forest combustible material) Служба новостей Томского Политехнического университета, Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ 18-79-10015. (год публикации - ).

3. - Цитируемые ученые: наночастицы серебра для лечения цитрусовых и наборы реагентов для генератора технеция-99m. Служба новостей Томского Политехнического университета, Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант 18-79-10015). (год публикации - ).

4. - Цитируемые ученые: наночастицы серебра для лечения цитрусовых и наборы реагентов для генератора технеция-99m. Служба новостей Томского Политехнического университета, Работа финансировалась из средств гранта Российского научного фонда РНФ 18-79-10015 (год публикации - ).

5. - Математическое и физическое моделирование процесса зажигания частицы водоугольного топлива, покрытой водяной пленкой Служба новостей Томского Политехнического университета, - (год публикации - ).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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).

10. 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).

11. 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).

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

13. 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).