Совершенствование технологии энергетического использования древесного биотоплива

• Автор: Марьяндышев, Павел Андреевич
• Шифр специальности: 05.14.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Архангельск
• Количество страниц: 105 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Свойства биотоплива и особенности его горения

1.1 Характеристика древесного биотоплива

1.2 Горение древесины

1.2.1 Прогрев частицы и испарение содержащейся в ней влаги

1.2.2 Процесс выхода и горения летучих веществ

1.2.3 Горение коксового остатка

1.3 Пиролиз и газификация древесины

1.4 Образование вредных примесей (Ж)х)

2. Исследования по тематике термических методов анализа и лабораторное оборудование для проведения анализа
2.1 Опубликованные работы по тематике термических методов анализа
2.2 Анализ приборного ряда для проведения термического анализа
2.3 Анализ литературы по термогравиметрическим исследованиям
2.4 Использование кинетических параметров при численном моделировании топочного процесса котельного агрегата
3. Термические методы анализа биотоплива в лабораторных
условиях
3.1 Подготовка образцов биотоплива для проведения термического
метода анализа
3.2 Проведение термических методов анализа биотоплива
3.2.1 Термогравиметрический и кинетический анализы биотоплива
3.2.2 Математические модели определения кинетических характеристик
3.3 Кинетический анализ на основе распределенной модели
определения энергии активации
3.4 Морфологический анализ структуры образцов и коксового остатка
3.5 Хроматографический анализ газовых смесей в процессе
пиролиза различных видов древесного топлива
4. Результаты моделирования топочного процесса
низкоэммисионного вихревого котла
4.1 Схема и технические характеристики котельного агрегата ПК-
4.2 Модель горения угольного топлива
4.3 Моделирование турбулентности
4.3.1 Модели турбулентности
4.3.2 Метод пристеночных функций
4.4 Модель топочного устройства котельного агрегата
4.5 Результаты численного моделирования

5. Результаты моделирования топочного процесса
низкоэммисионного вихревого котла ПК-10 для перевода его на сжигание древесного топлива
5.1 Модель горения древесного топлива
5.2 Модель и результаты численного моделирования котельного агрегата
ПК-10 при сжигании древесного топлива
5.3 Численное моделирование топочного процесса
низкоэмисионного вихревого котла ПК-10 при совместном сжигании угля и древесного топлива
5.4 Оценка экономической эффективности предложенных
технических решений
Выводы и научные рекомендации
Библиографический список
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы и степень ее разработки. В энергетической стратегии Российской Федерации к числу важнейших принципов обеспечения энергетической безопасности отнесены: принцип заменимости исчерпаемого ресурса; диверсификация видов топлива и энергии; экологической приемлемости; максимально возможного использования во всех технологических процессах и проектах отечественного оборудования; приоритетности внутреннего
потребления энергоресурсов их экспорту и рационализации структуры экспорта путем перехода от преимущественного экспорта первичных энергоносителей к более широкому экспорту продуктов пх переработки и ряд других принципов [1].
Экологическая политика в сфере энергообеспечения предусматривает: стимулирование производства и потребления топлива и энергии технологиями, улучшающими здоровье населения и состояние окружающей среды; вовлечение в топливно-энергетический баланс возобновляемых источников энергии и отходов производства в целях уменьшения негативного влияния энергетической деятельности на окружающую среду и сохранения потенциала невозобновляемых энергоресурсов для будущих поколений.
Возобновляемые источники энергии, важнейшим из которых является энергия, аккумулированная в растительности, могут сыграть существенную роль в решении энергетических проблем. Поэтому биоэнергетике последнее время уделяется большое внимание. Так в ведущих странах Европы, Америки и Азии основные инвестиции направляются именно в этот сектор экономики с целью его переоснащения, модернизации и достижения качественно нового уровня к 2020 году. Необходимость инновационного совершенствования отчетливо осознается также во всех странах-импортерах энергоносителей, которые активно содействуют развитию альтернативной энергетики, чтобы уменьшить издержки от импорта дорогих углеводородов [2].
В настоящее время использование биотоплив в электроэнергетике Российской Федерации занимает менее 2 % и не может решить проблемы защиты окружающей среды от выбросов вредных веществ в масштабах всей страны. Однако применение биотоплив там, где это возможно - вместо невозобновляемых первичных энергоресурсов является обязательным элементом совершенствования энергохозяйств промышленных предприятий. Производство энергии на базе возобновляемых источников энергии становится необходимым и не имеющим альтернативы. По оценке экспертов, к 2020 году доля энергии, вырабатываемой с помощью возобновляемых источников энергии, должна составлять не менее 7 % в суммарном энергетическом балансе РФ [3].

скоростях нагрева: 10, 15, 20 °С/мин. Для литерального днзеля среднее значение энергии активации было получено 44,9 кДж/моль, для биодизеля 76,37 кДж/моль, для пальмового дизеля 87 кДж/моль. В заключении сделаны выводы по определению точки кипения и ее зависимости от содержания летучих компонентов. Минеральный дизель имеет большое количество летучих веществ по сравнению с пальмовым дизелем и биодизелем и соответственно меньшее значение энергии активации.
Исследованию углей уделялось большое внимание, как за рубежом, так и в нашей стране. Статья [82] приводит данные кинетического анализа битумного и тощего углей в сравнении с биомассой (стебель кукурузы). Угли имеют большее значение энергии активации, чем биотопливо, которое находится в диапазоне от 290 до 340 кДж/моль, а именно для битумного угля 299 кДж/моль и для тощего угля 338 кДж/моль.
Ученые из лаборатории управления рисками и защиты окружающей среды Университета Верхнего Эльзаса, Мюлуз (Франция) опубликовали работу по кинетическому исследованию двух типов углей: Колумбийского и Южно-Африканского [83]. Исследования проводились в реакторе падающего типа, изготовленном в лаборатории Университета Верхнего Эльзаса. Значения энергии активации составили 120 и 119 кДж/моль соответственно. Данные значения являются ниже средних, так как для их определения использовалась схема Кобаяши с оптимизированными параметрами. В статье детально описаны теоретические выкладки по определению кинетических параметров, применяя данный метод.
2.4 Использование кинетических параметров при численном моделировании топочного процесса котельного агрегата
В заключении можно сделать вывод, что данные по кинетическим характеристикам могут быть использованы в численном моделировании процессов выхода летучих веществ, для расчета массового и энергетического баланса данных процессов. Полученные кинетические характеристики могут использоваться в уравнениях тепломассопереноса, на которых основывается алгоритм работы программного обеспечения, предназначенного для симулирования. Наиболее распространенное программное обеспечение - это коммерческий продукт Ansys Fluent, предназначенный для моделирования процессов, происходящих в теплогенерирующих установках, а именно процессов горения, тепломассообмена и теплопереноса. Данным программным обеспечением пользуются не только представители академической науки, но и крупные производители котельных агрегатов, такие как Альстом (Alstom) [84] и др.
Кроме этого, для моделирования большого класса задач гидрогазодинамики, теплообмена и горения широко используются методы вычислительной гидродинамики и реализованные на их основе пакеты программ (CFX, STAR, ССМ+, OpenFoam, Flow Vision и др.).