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 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, Доктор технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (30).

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 современных эконометрических прогностических моделей показывает, что несмотря на активные попытки апологетов возобновляемой энергетики (ВИЭ) по внедрению ВИЭ до 2040 года основная часть (до 60%) тепловой и электрической энергии будет производиться на тепловых электрических станциях, сжигающих угольное топлив. При этом все еще остается актуальна проблема антропогенного воздействия на окружающую среду (выбросы оксидов азота (NOx) и серы (SOx)) использующих в качестве основного топлива уголь ТЭС. Необходимость повышения эффективности работы угольных ТЭС и выполнение ужесточенных экологических требований создает предпосылки к разработке новых эколого- и энергоэффективных способов сжигания угля. Как было показано при выполнении проекта РНФ 18-79-10015 к таким относится технология сжигания угля в составе топливных композиций на основе угля и биомассы. При этом как было установлено, одной из самых перспективных (а может и самой перспективной) композиций является био-водоугольное топливо: смесь мелко диспергированных угля и биомассы с водой. По результатам проведённых экспериментов выявлено, что при воспламенении био-водоугольных суспензий или высоковлажных древесно-угольных топлив времена задержки зажигания (tign) и горения (tb) могут достигать десятков секунд. Однако такие значения tign и tb создают существенные сложности в период проведения опытно-конструкторских работ при обосновании конструктивных характеристик камер сгорания перспективных котельных агрегатов, работающих на топливных композитах. Такая ситуация создает предпосылки для разработки новых способов топливосжигания. Большие возможности дает комбинированный способ инициирования горения топлива: например, при микроволновой или плазменной подсветке топливного факела. Применение электромагнитного излучения позволит уменьшить влажность, зольность, а также понизить содержание серы, ртути, хлора и других вредных составляющих. Также при СВЧ воздействии на высоковлажное топливо возможна взрывная диспергация частиц топлива вследствие объемного парообразования. Первые попытки использования СВЧ-излучения в энергетике датируются концом 40-х и началом 50-х годов ХХ века [1] с изобретением микроволновой техники. Частота СВЧ-излучения находится в пределах от 300 МГц до 3000 ГГц, что соответствует длинам волн от 1 м до 0,1 мм. Уровень мощностей тепловыделения может варьироваться в пределах от долей Вт до нескольких МВт в импульсном режиме, и от долей Вт до сотен кВт в режиме непрерывного излучения [2]. Основные теоретические и экспериментальные работы по высокочастотному и сверхвысокочастотному воздействию на топливо проводились Лыковом А.В., Окресс Э, Пюшнер Г.,Диденко А.Н., Саломатова В.В. и др. [3, 4, 5, 6, 7, 8]. Процесс СВЧ-воздействия на различные объекты моделируется при помощи уравнений электродинамики Максвелла (описывающих распространение электромагнитного излучения), и теории теплоты и уравнений тепломассопереноса (описывающих преобразование электромагнитной энергии в теплоту и передачу этой теплоты в теле). Также известны работы (например [3]), показывающие положительное (по критерию экологии сжигания) синергетическое воздействие низкотемпературной плазмы, формируемой в электродуговом плазмотроне, на процесс горения угольной пыли. Показано, что воздействие плазмы приводит к интенсивной газификации угольного топлива. Последнее приводит к повышению реакционной способности топлива. При этом установлено, что при сжигании угля при плазменной подсветке происходит диспергирование частиц угля на более мелкие фракции. Это способствует стабилизации процесса горения угля и интенсифицирует процесс сжигание (за счет увеличение площади реагирования). Это, прежде всего, востребовано для эффективного сжигания низкореакционных, высокозольных и высоковлажных углей (при постоянной работе плазмотрона), и позволяет, в том числе, осуществить растопку котла (при кратковременном запуске плазмотрона). По имеющимся оценкам электрическая мощность, потребляемая плазмотроном при поддержании непрерывного горения, не превышает 2.5 % от тепловой мощности пылеугольной горелки и составляет 0.3–0.5 % от тепловой мощности самого котла. Однако применение технологий микроволновой и плазменной подсветки на тепловых электрических станциях ограничивается отсутствием общей теории воспламенения и горения существенно неоднородных по структуре топливных композитов в условиях сложного радиационно-конвективно-кондуктивно-электромагнитного нагрева. Последнее связано с тем, что термическая подготовка и зажигание любого органического топлива представляют собой сложный комплекс физико-химических процессов, протекающих в условиях интенсивных фазовых (испарение внутрипоровой и адсорбционной влаги) и термохимических (термическое разложение органической части угля и основных компонентов биомассы, выход летучих и их воспламенение, зажигание кокса) превращений при электромагнитном воздействии (СВЧ-нагрев, поток высокоэнергетических электронов). При этом стоит отметить, что, как правило, эти процессы, протекают совместно и имеют цепной характер. Немаловажным является и то, что древесная биомассы и био-водоугольные суспензии являются высокообводнёнными топливами, соответственно в таких системах микроволновый нагрев протекает более интенсивно (вследствие высоких значений tgδ для воды), чем в диэлектриках (уголь). Это обусловлено существенно различающимися химическими структурами топлива. Последнее может привести к значительной неоднородности температуры факела. При этом высокая обводненность композиционного топлива будет способствовать взрывной диспергации топливных частиц вследствие объёмного вскипания внутрипоровой влаги. Подводя итог можно сказать, что изучение процессов термической подготовки, зажигания и горения топливных композитов на основе угля и древесины в условиях сложного радиационно-конвективно-электромагнитного нагрева на сегодняшний день является актуальнейшим направлением в современной энергетике. Авторами данного проекта сформулирована гипотеза о механизме зажигания частиц композиционного топлива при радиационно-конвективно-микроволновом нагреве 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 воздействия ионизирующего излучения на молекулы воды, формирующиеся на этапе термической подготовки (при испарении внутрипоровой и адсорбционно-связанной влаги). В результате образуются высокореакционные радикалы гидроксильной группы (OH-). Как показали исследования, проведённые в рамках проекта (РНФ 18-79-10015) OH- оказывает существенное, можно сказать определяющее влияние на характеристики и условия газофазного воспламенения топлива (зарождение цепей взаимодействия метана (CH4), окиси углерода (CO) и водорода (H2) с кислородом воздуха происходит через OH-). Планируется проведение экспериментальных исследований воспламенения частиц композиционных топлив в условиях, соответствующих камерам сгорания котельных агрегатов при микроволновом и ионизирующем воздействии. С этой целью будут сконструированы и изготовлены экспериментальные стенды для изучения процессов зажигания и горения композиционных топлив. В экспериментах будут моделироваться процессы, протекающие при зажигании частиц композиционного топлива в условиях сложного комбинированного нагрева (конвекция/излучение/ЭМ-воздействие). Это позволит детально изучить все стадии термической подготовки, протекающие в индукционный период времени в условиях, сложного радиционно-конвективно-ЭМ (РКЭ) нагрева. Также будут определены необходимые для стабильного воспламенения температура внутрикотловой среды, оптимальное соотношение в системе уголь/древесина. В результате экспериментальных исследований будут определены времена задержки воспламенения в зависимости от условий сложного теплообмена. По результатам анализа экспериментальных результатов будет сформулирована новая двухтемпературная 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-ЭМ нагреве частиц композиционного 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 композиционных топлив, 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 топлива. Планируется определить критические и оптимальные характеристики (температура окислителя, энергии ЭМ-импульса, длительность ЭМ импульса) воспламенения топлива. 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. В.В. Иванцкий. О возможности применения сверхвысокочастотных методов нагрева материалов.// Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела.- 2000.- № 3-4. -С. 42-46. 2. Семенов, А.С. СВЧ-энергия и ее применение. Особенности, оборудование,технологические процессы / А.С. Семенов, В.Б. Байбурин. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 3. СВЧ – энергетика. / Под ред. Э. Окресса (в трех томах). – М.: Мир. – 1971. 4. Диденко А.Н. СВЧ–энергетика: теория и практика. – М.: Наука. – 2003. – 446 с. 5. Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ – энергетика. – М.: Наука. – 2000. – 320 с. 6. Лыков А.В. Исследование процесса сушки в поле высокой частоты/Лыков А.В., Г.А.Максимов// Тепло-и массообмен в капиллярно-пористых телах.,- М.: Госэнергноиздат, 1957. С. 133-142. 7. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот, пер. с англ.- М., «Энергия», 1968, 312с. 8. Саломатов Вл.В., Пузырев Е.М., Саломатов А.В. СВЧ-нагрев потока жидкости при вынужденном обтекании плоской пластины в условиях нестационарного радиационно-конвективного теплообмена // Теплофизика и аэромеханика. – 2018. – Т. 25, № 2. – C. 285-300.

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 радиационно-конвективно-электромагнитном нагреве частиц композиционного топлива в индукционный (до зажигания) период времени, будут установлены основные закономерности процессов воспламенения (механизмы газофазного и гетерогенного зажигания, зависимости основных характеристик процесса от времени, влияние основных значимых факторов на динамику воспламенения). Также будут определены времена задержки зажигания композиционных топлив при различных условиях теплообмена. Будет установлено влияние условий теплообмена (температура внешней среды, скорость набегающего на частицу топлива потока окислителя, мощность и длительность импульса ЭМ-воздействия) на характеристики воспламенения. По результатам экспериментальных исследований будет создана база данных - основа для проведения опытно-конструкторских работ по разработке перспективных энергоэффективных и экологоперспективных котельных агрегатов, работающих на композиционном топливе при плазменной и микроволновой подсветки топливного факела. В результате экспериментальных исследований будет разработана математическая модель процессов зажигания частиц композиционного топлива в условиях сложного РКЭ 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 композиционного топлива применительно к перспективным камерам сгорания котельных агрегатов (с высокими энергетическими и экологическими характеристиками). До настоящего времени таких фундаментальных исследований процессов воспламенения существенно неоднородных топливных 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 (математическая модель), метод решения задачи, алгоритм численного решения задачи термической подготовки и зажигания композиционных топлив. Результаты реализации проекта позволят существенно расширить современные представления о процессах во воспламенения и горения композиционных топлив при сложном нагреве в условиях электромагнитного воздействия.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
По результатам проведенных работ в рамках проекта разработан, сконструирован и смонтирован экспериментальный стенд для изучения процессов тепло- и массопереноса, протекающих при воспламенении частиц композиционного топлива в условиях высокотемпературного радиационно-конвективного и микроволнового нагрева. Стенд представляет собой проточную камеру, выполненной в виде додекайдера, сквозь которую продувался высокотемпературный окислитель (воздух). В камеру сгорания монтировались микроволновые излучатели, таким образом, чтобы топливный частицы попадали в фокус излучения (в соответствии с приближением физической оптики) магнетрона. Вся камера находилась в теплоизолированном кожухе. С целью исключения возможного окисления внутренней оболочки рабочая камера выполнена из нержавеющей стали. Топливные частицы крепились на керамической игле-державке и транспортировались в камеру горения при помощи дистанционно-управляемого устройства. Температура окислителя варьировалась в диапазоне от 400 до 1000К. Весь процесс термической подготовки и зажигания регистрировался высокоскоростной камерой EVERCAM. Экспериментальный стенд позволил провести детальное изучение процессов тепло и массопереноса, протекающих при зажигании топливных частиц в условиях сложного нагрева. Проведен комплекс экспериментальных исследований зажигания частиц топлива в условиях сложного (радиационно-конвективно-микроволнового) нагрева. Проведена видеофиксация процессов термической подготовки и зажигания. После детальной обработки видеограмм выделены основные этапы термической подготовки и зажигания топливной частицы. По результатам проведённых экспериментов сформулирована физическая и математическая модели воспламенения частицы композиционного топлива в условиях, соответствующих камерам сгорания перспективных котельных агрегатов (при микроволновой подсветке факела). Разработано аналитическое решение существенно нелинейной задачи зажигания топливной частицы в условиях сложного нагрева. Решение задачи зажигание сформулировано с использованием преобразований Лапласа с выделением асимптотических оценок. Проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных значений времен задержки зажигания, который показал достаточно хорошее соотношение. В результате выполнения работ в рамках проекта получены характерные значения компонентных составов газообразных продуктов горения смесевых топлив древесина/уголь. Установлено, что добавление древесной биомассы к углю приводит к существенному снижению выбросов газообразных антропогенных продуктов сгорания смесевого топлива по сравнению с горением однородного угля. Показано, что введение древесной биомассы к углю приводит к более чем 30% снижению выбросов оксидов серы. При этом проанализировано влияние влажности древесной биомассы на экологические характеристики древесно-угольного топлива. Показано, что увеличение влажности древесины приводит к более чем трехкратному снижению выбросов оксидов серы и азота по сравнению с горением однородного угля. Последнее подтверждает разработанную руководителем проекта гипотезу о том, что водяной пар формирующийся в результате сушки древесной биомассы может выступать в качестве адсорбирующего оксиды серы и азота агента, и трансформироваться последние в серную и азотную кислоты. По результатам выполнения работ в рамках проекта проанализированы характеристики и условия зажигания частиц композиционных био-водоугольных топлив, выполненных из каменноугольного полукокса. Показано, что предварительная термическая подготовка углей перед приготовлением топливной композиции приводит к существенному снижению концентрации антропогенных продуктов горения последней по сравнению с горением однородного угля. При этом показано, что хотя в условиях низкотемпературного нагрева частицы Био-ВУТ, выполненные на основе полукокса, зажигаются значительно медленнее (примерно на 20-30%) чем при зажигании суспензии на основе природного угля, но в условиях высокотемпературного нагрева времена задержки зажигания этих топлив практически не отличаются. По результатам проведенных экспериментов разработана математическая модель, описывающая процесс зажигания частицы Био-ВУТ, выполненная на основе каменноугольного полукокса. С применением метода квазистационарного теплового приближения получено аналитическое решение существенно нелинейной задачи зажигания. По средствам полученного решения проведено обоснование использование такого топлива в качестве основного для газотурбинных установок, работающих по циклу Алама. Проанализировано влияние давления внешней среды на характеристики и условия горения таких топлив. Установлено, что давление оказывает существенно нелинейное и немонотонное влияние на значения tign. Сначала с ростом Pg (до Pg=153бар) значения времен задержки зажиганию монотонно возрастают, затем при Pg>153бар с увеличением последнего tign уменьшаются. Это обусловлено взаимным влиянием двух конкурирующих факторов: с одной стороны, с ростом давления внешней среды растет температура начала интенсивного испарения воды (Ts), соответственно значительно возрастает и стадия I (инертный нагрев капли ВУТ). Но c другой стороны, увеличение Pg приводит к существенному теплоты, затрачиваемой на непосредственное испарение воды. В результате существенно сокращается по времени стадия сушки частицы Био-ВУТ. Соответственно, можно сказать, что в этих условия наиболее целесообразно сжигание ВУТ в специальных камерах горения способных обеспечить экстремальные условия нагрева (давления окислителя Pg≈220бар и температура Tg>1400K). По результаты выполненных работ в рамках проекта установлены предельные (по температуре внешней среды) условия устойчивого зажигания и горения пеллет смесевых топлив древесина/уголь. Показано, что стоимость единицы теплоты, вырабатываемой при сжигании пеллет древесно-угольных смесей, существенно меньше по сравнению с мазутом и углем. Система топливоподачи при использовании таких пеллет даже проще аналогичных систем, работающих на мазуте. Также показано, что переход с жидкого топлива на древесно-угольные пеллеты возможен во многих государствах мирового сообщества, т.к. отходы деревообработки и угольные месторождения присутствуют на территориях многих государств, но даже если нет своего угля, его стоимость много меньше стоимости нефти. По результатам выполнения проекта опубликовано четыре статьи в международных высокорейтинговых журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science и входящих в список журналов Q1. Также получено три свидетельства о государственной регистрации программ. Также представлено три доклада на конференциях всероссийского и международного уровня. Также по результатам проведенных исследований получено два свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

 

Публикации

1. Г.В. Кузнецов, Д.Ю. Малышев, С.В. Сыродой, Н.Ю. Гутарева, М.В. Пурин, Ж.А. Косторева Justification of the use of forest waste in the power industry as one of the components OF BIO-coal-water suspension fuel Energy, 239, 121677 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121677

2. Г.В. Кузнецов, С.В. Сыродой, А.А. Косторева, Ж.А. Косторева, М.В. Пурин, Д.Ю. Малышев Increasing the concentration of woody biomass in the furnace room according to the characteristics and conditions of ignition Journal of the Energy Institute, 101, 265-276 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.joei.2022.02.004

3. С.В. Сыродой, Г.В. Кузнецов, Ж.А. Косторева, И.К. Забродина, Д.Ю. Малышев Ignition of a group of the woody biomass particles Thermal Science and Engineering Progress, 25, 101017 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.tsep.2021.101017

4. Сыродой С.В. Кузнецов Г.В. Гутарева Н.Ю. Н.А. Нигай Mathematical modeling of the thermochemical processes of sequestration of SOx when burning the particles of the coal and wood mixture Renewable Energy, In Press (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.10.091

5. Сыродой С.В. Расчет времени задержки зажигания частиц влажной древесной биомассы -, 2021661779 (год публикации - )

6. Сыродой С.В. Косторева Ж.А. Программа по оценке влияния расстояния между частицами древесины и угля на характеристики их совместного воспламенения -, 2021662566 (год публикации - )

7. Сыродой С.В. Нигай Н.А. Программа по анализу интенсивности образования антропогенных оксидов серы при сжигании древесно-угольных топливных смесей -, 2021661959 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетный период выполнения проекта выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований процессов тепло- и массопереноса, протекающих в период термической подготовки, зажигании и горении частиц био-угольного композиционного топлива применительно к топочным устройствам котельных агрегатов, а также камерам сгорания газотурбинных установок. Было проанализировано влияние группы значимых факторов на характеристики и условия воспламенения: расстояние между частицами древесины на характеристики и условия совместного зажигания, температура внешней среды, вид древесины, влажность древесной биомассы. По результатам проведенных экспериментов обосновано применение для стабилизации процессов зажигания и горения частиц композиционного топлива микроволновой энергии. Показано, что в условиях низкотемпературного нагрева СВЧ-подсветка приводит к существенному (в среднем на 30%) снижению значений времен задержки зажигания. При этом установлено, что микроволновое воздействие позволяет уменьшить предельные (для стабильного воспламенения) значения температуры окислителя. Разработан комплекс математических моделей процессов зажигания и горения частиц многокомпонентных топлив на основе угля: древесно-угольное, био-водоугольное и водоугольное топливо. При этом по результатам торических исследований обоснована кинетическая схема физико-химических процессов, приводящих к секвестрованию антропогенных продуктов горения топлива. Эта гипотеза базируется на предположении об 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 прогнозировании горения древесно-угольного и водоугольного топлива. Разработана математическая модель, описывающая процесс зажигания капли водоугольного (или био-водоугольного топлива) в экстремальных условиях нагрева (высокие температуры и давления окислителя). По результатам математического моделирования показано существенно нелинейное и немонотонное влияние давлений внешней среды на времена задержки зажигания. По результатам математического моделирования обосновано применение водоугольного топлива в качестве основного для газотурбинных установок, работающих по циклу Алама. По результатам математического моделирования процесса зажигания частиц композиционных топлив показано, что существенная детализация кинетических схем термохимических реакции взаимодействия летучих с окислителем и термического разложения не оказывает значимого влияния на прогнозирование условий и характеристик процесса зажигания: отклонение расчетных значений времен задержки зажигания при выборе той или иной кинетической схемы не превышает 1,5%. Асимптотический анализ показал, что время непосредственного интенсивного реагирования газообразных продуктов пиролиза с кислородом воздуха составляет не более 2% от всего периода индукции. Соответственно, при проведении опытно-конструкторских работ по проектированию камер сгорания котельных агрегатов, сжигающих композиционные топлива, для расчета процессов зажигания применимы «простые» кинетические схемы реагирования летучих с окислителем. По результатам выполнения проекта установлено, что в условиях относительно низких температур расстояние между частицами биомассы оказывает существенное влияние на характеристики и условия зажигания. В то же время увеличение температуры внешней среды приводит к тому, что влияние расстояния на значения tign становится незначительным. При этом установлено, что для частиц биомассы с характерным размером δ=3,5мм при Tg=873K увеличение расстояния между частицами сначала приводит к уменьшению значений tign. При дальнейшем росте расстояние значительного изменения времен задержки зажигания не происходит. При этом видно, что в этом случае времена задержи зажигания группы из двух частиц асимптотически стремятся к значениям tign одной частицы (ο(t_ign^d )→t_ign^s). Аналогичная картина наблюдается при анализе времен задержки зажигания частиц древесной биомассы с δ=6 мм Анализ данных, полученных по результатам экспериментов показал, что при обосновании выбора конструктивных характеристик и режимов работы перспективных котлов, работающих на древесной биомассе, необходимо учитывать форму частицы, образующиеся в процессе механической подготовки топлива. Показано, что при проведении ОКР по конструкции мельничного оборудования, измельчающего древесину, форма частиц последнего является основным критерием обоснования выбор конструктивных характеристик. Получены результаты, значительно расширяющие современные представления о процессах воспламенения и горения древесной биомассы. Показано, что форма и размер (топология поверхности) частиц древесной биомассы имеют значительное нелинейное и немонотонное влияние на характеристики и условия воспламенения при относительно низких температурах окружающей среды. Так, при равных массах частиц древесины последние в виде пластины воспламеняются намного быстрее, чем частицы, выполненные в форме куба и прямоугольного параллелепипеда. Установлено, что характерный размер древесных частиц, изготовленных в форме куба не влияет на характеристики и условия зажигания. По результатам экспериментов установлено, что при условиях низкотемпературного нагрева (Tg ≤ 873K), воспламенение времена задержки частиц древесной биомассы, выполненных в виде прямоугольного параллелепипеда, немонотонно зависят от размера. Показано, что при воспламенении частиц древесной биомассы в виде пластин увеличение характерного размера приводит к линейному увеличению tign. Проведенные экспериментальные исследования показали, что уплотнение слоя дисперсной древесной биомассы оказывает существенное положительное влияние на характеристики и условия сушки слоя влажной древесной биомассы в диапазоне температур окружающей среды, характерном для технологий сушки энергоносителей (Tg = 333–393 K). Показано, что увеличение плотности загрузки биомассы в 2 раза приводит к уменьшению времени сушки в 1,5–2 раза (в зависимости от температуры окружающей среды). По результатам исследований была сформулирована модель, описывающая данный эффект ускорения процесса сушки. Последнее основано на предположении, что уменьшение пористости слоя дисперсной древесины в результате процедуры уплотнения приводит к увеличению эффективной теплопроводности среды. В слое древесной биомассы в таком состоянии она значительно быстрее прогревается и интенсифицируется весь процесс осушения. Сравнительный анализ температур в характерных точках слоя дисперсной древесины в условиях уплотнения и при естественной плотности засыпки показали, что уплотнение приводит к увеличению значений температуры в период сушки. Аналогичные результаты показал сравнительный анализ значений средней (по объему) температуры слоя древесной биомассы в условиях уплотнения и при естественной плотности засыпки. Дальнейшее развитие развитого при проведении работ в рамках проекта научного направления, скорее всего, заключается в формировании теоретической базы (математических моделей и методов решения задач) для обоснования оптимального выбора технологических параметров (характерных размеров сушильной камеры, степени уплотнение слоя, температура источника нагрева) слоя древесной биомассы на стадиях предварительной термической подготовки топлива к сжиганию в топках тепловых котельные агрегаты электростанций. По результатам исследования установлено, что увеличение плотности засыпки древесной биомассы приводит к увеличению средней температуры древесного слоя при его термической подготовке. При прогнозном моделировании процессов термической подготовки древесной биомассы особое внимание следует уделить выбору математической модели для расчета значений коэффициента теплопроводности слоя дисперсной древесины.

 

Публикации

1. Г.В. Кузнецов, С.В. Сыродой, Б.В.Борисов, Ж.А. Косторева, Н.Ю.Гутарева, А.А. Косторева. Influence of homeomorphism of the surface of a wood particle on the characteristics of its ignition Renewable Energy, 203, 828-840 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.12.097

2. Г.В. Кузнецов, С.В. Сыродой, Д.Ю. Малышев, М.В. Пурин, В.В. Саломатов, Н.А. Нигай Mathematical Modeling of Water-Coal Fuel Droplets Ignition Under High Pressure Medium Combustion Science and Technology, 1, 1-31 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1080/00102202.2023.2200139

3. С.В. Сыродой, Г.В. Кузнецов, Н.А. Нигай, М.В. Пурин, Ж.А. Косторева The effect of compaction of the dispersed wood biomass layer on its drying efficiency Renewable Energy, 211, 64 - 75 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.04.121

4. Сыродой С.В. Косторева Ж.А. Косторева А.А. Малышев Д.Ю. Омаров А.А. ЗАЖИГАНИЕ ЧАСТИЦ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ В УСЛОВИЯХ СВЧ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВОМ НАГРЕВЕ известия томского политехнического университета инжиниринг георесурсов, - (год публикации - 2023)

5. Войткова К.А. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЛИ ВОДЫ С НАГРЕТОЙ ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА МАТЕРИАЛЫ ВОСЬМОЙ РОССИЙСКОЙ НАЦИОНАЛЬНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ТЕПЛООБМЕНУ Том 2 17 – 22 октября 2022 Москва, НИУ «МЭИ», 2, 373 - 374 (год публикации - 2023)

6. Ж. А. Косторева, А. А. Косторева, Г. В. Кузнецов ВЛИЯНИЕ ГОМЕОМОРФИЗМА ЧАСТИЦЫ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ЗАЖИГАНИЯ Енисейская Теплофизика – 2023. Всероссийская научная конференция с международным участием. Тезисы докладов. 28–31 марта 2023 года, Красноярск. – Изд-во СФУ, 2023. –, 1, 340 - 341 (год публикации - 2023)

7. Н.А. Нигай, С.В. Сыродой ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕПЛООБМЕНА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ВЛАГОУДАЛЕНИЯ ПРИ СУШКЕ ЛЕСНОГО ГОРЮЧЕГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ВЕТОК ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД ДРЕВЕСИНЫ Енисейская Теплофизика – 2023. Всероссийская научная конференция с международным участием. Тезисы докладов. 28–31 марта 2023 года, Красноярск. – Изд-во СФУ, 2023., 1, 1, 385-386 (год публикации - 2023)

8. - Форма имеет значение. В России изучили перспективное топливо из отходов РИА Новости, - (год публикации - )

9. - Топи поленом правильной формы Стимул, - (год публикации - )

10. - Форма имеет значение. В России изучили перспективное топливо из отходов Москва, - (год публикации - )

11. - Ученые России изучили перспективное топливо из отходов Discover24, - (год публикации - )

12. - Форма имеет значение. В России изучили перспективное топливо из отходов Новости России, - (год публикации - )

13. - Исследование ученых ТПУ позволит улучшить технологию приготовления альтернативного топлива из древесных отходов Служба Новостей ТПУ, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
РАЗРАБОТАНЫ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫПОЛНЕННЫХ В РАМКАХ ПРОЕКТА РАБОТ При выборе режимов и условий сжигания древесно-угольных смесей в топках котельных агрегатов необходимо учитывать, что время термической подготовки (индукционный период) большой совокупности частиц смеси в несколько раз (2-3) меньше аналогичных времён для одиночной частицы. В связи с тем, что вид древесины не влияет на условия и характеристики процесса термической подготовки древесно-угольной смеси к сжиганию в топках котельных агрегатов, при выборе условий сжигания древесной компоненты древесно-угольных смесей можно использовать экспериментальные данные по любому из реально возможных вариантов видов древесины. Вследствие того, что влажность древесины влияет существенно на условия и характеристики процессов термической подготовки древесно-угольных смесей к сжиганию, влажность древесины необходимо контролировать и обеспечивать возможность регулирования влажности древесно-угольных смесей перед их сжиганием. При подготовке древесной компоненты к сжиганию нет необходимости дополнительного измельчения частиц древесины с начальным характерным размером до трех миллиметров. Сжигание древесно-угольных смесей в топках котельных агрегатов возможно без реконструкции топок последних. По результатам проведенных экспериментов установлено, что сушку тонкого слоя (толщиной h≈1–1,5 мм) древесной биомассы (ЛГМ на основе свежесрезанных листьев деревьев) эффективнее всего проводить в условиях выскотемпературного нагрева (Tg=393 К). Соответственно, можно сказать, что при определенных условиях организации процесса сжигания на тепловых электростанциях (например, в низкотемпературном вихре по аналогии с топкой ЛПИ) проведение процедуры предварительной термической подготовки (сушки), скорее всего, нецелесообразно. Наиболее приемлемо прямое сжигание влажной биомассы (на основе свежесрезанных листьев) в топочных устройствах котельных агрегатов. Для этого в камере сгорания необходимо организовывать вихревые зоны рециркуляции факела по аналогии с топками конструкции А.А. Шершнева. Экспериментально установлено, что в условиях относительно высокотемпературного нагрева (при температуре внешней среды Tg=373-393 К) вид древесной биомассы не оказывает существенного влияния на динамику влагоудаления. Соответственно, можно обосновано полагать, что предварительную термическую подготовку разнотипного биотоплива (типичные отходы лесопиления и деревообработки: опилки, щепа, древесная стружка; разного рода лесной горючий материал: листовой и хвойный опад, ветки и сучья деревьев) на тепловых электрических станциях допустимо проводить одновременно в единой сушильной камере. Последнее существенно снизит капитальные затраты на строительство ТЭС. Одним из важнейших результатов, полученных при проведении экспериментальных исследований является вывод о том, что увеличение плотности засыпки древесной биомассы (при идентичности массы навески) оказывает положительное влияние на характеристики и условия процесса дегидратации (например, при Tg=393 К времена сушки уменьшаются на 40 %). Последнее дает существенные основания для вывода о том, что процесс сушки древесной биомассы при её термической подготовке к сжиганию можно эффективно проводить в объемных хранилищах бункерного типа в существенно уплотненном состоянии, а не в аэрированном (по аналогии с барабанными сушилками или в кипящем слое), как считалось ранее. При этом тепло к навеске биомассы подводится кондуктивно, через стенку бункера. В этих условиях существенно упрощается процедура организации процесса сушки (вследствие отсутствия высокотемпературных газовоздухопроводов), а также снижаются затраты электроэнергии на собственные нужды ТЭС из-за отсутствия электропривода редукторов, вращающих барабаны сушилок. В связи с этим значительно уменьшаются (за счет уменьшения объема высушиваемой биомассы) массогабаритные характеристики сушильного бункера. Также по результатам проведенных экспериментальных исследований установлены режимы сушки перспективной для целей энергетики древесной биомассы на основе опавших веточек деревьев. Показано, что древесные веточки наиболее эффективно сушить в условиях относительно низких температур внешней среды (Tg=333–353 К). Соответственно, при проведении опытноконструкторских работ по проектированию объектов теплоэнергетики (теплоэлектроцентрали или локальные котельные, использующие в качестве топлива или одного из компонент топливной смеси ЛГМ на основе веток деревьев) необходимо закладывать в проект оборудование, проводящее сушку биомассы с использованием низкопотенциальных источников теплоты (например, дымовые газы котла после электрофильтров). К таким установкам, отвечающим всему набору необходимых характеристик (возможность долговременной сушки больших объемов древесной биомассы), можно отнести силосные хранилища. По результатам выполненных экспериментов можно сделать обоснованный вывод о том, что при проектировании топочных и горелочных устройств котельных агрегатов, сжигающих биомассу, важно принимать во внимание фактор формы и характерных размеров частиц древесной биомассы, а также их совокупности. При этом значения характерных размеров (а также форм) обусловливаются в первую очередь технологией механической подготовки топлива к сжиганию (другими словами пиление, дробление, расщепление). По этой причине к проведению опытно-конструкторских работ по проектированию котельных агрегатов, работающих на биомассе, должен быть применен глобально-ориентированный подход. Последний будет включать в себя разработку всех элементов конструкций и узлов оборудования, проводящих специальную механическую (диспергирование) и предварительную термическую подготовки древесины, а также осуществляющих непосредственное сжигание (горелочные и топочные устройства) топлива. Результаты экспериментов показали, что наиболее рациональная по условиям зажигания (времена задержки зажигания минимальны) форма частицы древесной биомассы – пластина. Соответственно, в период проведения специальной механической подготовки древесного топлива к сжиганию целесообразно получать при диспергировании древесины частицы в форме пластин или тонких щепок. Для этого лучше всего подходят дробилки фрезерного типа. По результатам проведенных экспериментов установлено, что уплотнение древесной биомассы оказывает положительное синергетической влияние на характеристики и условия сушки. Это обусловлено тем, что уплотнение слоя приводит к уменьшению его пористости, и, соответственно, к росту эффективной теплопроводности слоя. Проводя обобщение полученных результатов можно сделать обоснованный вывод, что диспергированную древесную биомассу в условиях радиационно-конвективного нагрева ее массивных слоев целесообразно сушить в уплотненном состоянии. Соответственно, на тепловых электрических станциях или же на центральных топливных заводах для термической подготовки топлива имеет смысл использовать бункера большого объема с системой вибрационного уплотнения слоя и кондуктивным подводом теплоты через ограждающие стенки бункера. Последнее позволит существенно снизить затраты на проведение процедуры влагоудаления, осуществляемой в настоящее время конвективным способом в высокотемпературных скрубберах.