Гидродинамика псевдоожиженного слоя и ее влияние на эффективность и экологичность процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул

Размещено на http://www.allbest.ru/

05.17.08 - "Процессы и аппараты химических технологий"

05.14.04. - "Промышленная теплоэнергетика"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гидродинамика псевдоожиженного слоя и ее влияние на эффективность и экологичность процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул

Михалев Александр Валерьевич

Тамбов 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет"

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Кузьмин Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович

доктор технических наук, профессор Печенегов Юрий Яковлевич

Ведущая организация Всероссийский Научно-Исследовательский Проектный Институт Энергетической Промышленности (ВНИПИэнергопром, г. Москва).

Защита диссертации состоится "27" апреля 2007 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат размещен на официальном сайте ТГТУ - www.tstu.ru

Автореферат разослан "23" марта 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Стремление сохранить известные преимущества процесса псевдоожижения (большая поверхность взаимодействия твердых частиц с газом, малые градиенты температур в объеме слоя, высокая интенсивность теплообмена слоя с погруженными в него поверхностями и др.) при химической, термической и механической обработке крупнозернистых и гранулированных материалов, псевдоожижение которых обычно требует высоких скоростей газа и сопровождается низким выходом целевого продукта из - за плохих условий взаимодействия между твердой и газовой фазами слоя, привело к появлению нового способа псевдоожижения, когда крупные частицы псевдоожижаются в слое более мелких частиц. Варьируя размеры и плотность мелких частиц, удается избежать сегрегации в псевдоожиженном слое частиц по плотности и размерам, т.е. достичь совместного псевдоожижения мелких и крупных частиц, когда крупные и тяжелые частицы свободно перемешиваются в объеме слоя, переходя в псевдоожиженное состояние при скорости газа в несколько раз меньшей, чем требовалось для частиц крупной фракции в отдельности.

В плане практического использования указанный способ совместного псевдоожижения мелких и крупных частиц был предложен для сушки и замораживания пищевых продуктов в псевдоожиженном слое мелких инертных частиц, а исследования гидродинамики процесса проводились только при совместном псевдоожижении двух и более монодисперсных фракций частиц.

В тоже время процесс совместного псевдоожижения может быть использован для организации совместного сжигания мелкозернистых углей (к примеру, антрацитового штыба) и биогранул, производство которых из сельскохозяйственных или древесных отходов расширяется как в России, так и за рубежом.

Настоящая работа выполнялась в этом актуальном направлении в рамках государственного контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям РФ № 02.442. 11. 7550 по теме 2006 - РИ - 19.0/001.715 "Проведение научных исследований молодыми учеными. Энергосберегающие технологии сжигания низкосортного топлива и биомассы с применением разработанной автономной теплогенерирующей установки", 2006 г.

Предыдущие исследования, выполненные в Тамбовском государственном техническом университете, позволили определить оптимальные параметры процесса сжигания антрацитового штыба в высокотемпературном кипящем (псевдоожиженном) слое, в печах небольших технологических установок в химической промышленности, и топках котлов в коммунальной и промышленной энергетике. Однако, при сжигании штыба по разработанной технологии высока эмиссия оксидов серы и азота в атмосферу. Одним из эффективных способов снижения эмиссии загрязняющих компонентов в атмосферу (в том числе диоксида углерода и золы) является совместное сжигание низкосортных углей (в том числе и антрацитового штыба) и биомассы. Реализация такой технологии особенно привлекательна для южных регионов РФ, где образуются значительные невостребованные объемы биомассы в виде лузги подсолнечника, риса, проса, гречихи, соломы и т.п., из которых возможно производство топливных гранул высокими насыпной плотности и теплотой сгорания.

Анализ литературных данных показал, что отсутствуют сведения не только об оптимальных параметрах процесса совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожиженном слое, но и не исследованы процессы совместного псевдоожижения штыба и гранул, тогда как эти два компонента топливной смеси сильно отличаются размерами и формой составляющих их частиц. Отсутствуют аналитические или эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать минимальную скорость псевдоожижения топливной смеси, а также учитывать изменение этой скорости с изменением температуры псевдоожижающего газа (здесь под минимальной скоростью псевдоожижения понимается то минимальное значение скорости воздуха, отнесенное к поперечному сечению аппарата с псевдоожиженным слоем, при котором весь полидисперсный слой переходит в псевдоожиженное состояние). Не определены также оптимальные составы сжигаемой топливной смеси антрацитового штыба и биогранул, как с точки зрения эффективности процесса сжигания, так и с точки зрения минимальной эмиссии в атмосферу оксида углерода, оксидов серы и азота.

Целью работы является исследование особенностей гидродинамики псевдоожиженного слоя антрацитового штыба и биогранул и влияния этих особенностей на процесс совместного сжигания этих топлив в топочных устройствах печей химических производств и котельных установок малой мощности.

В соответствии с указанной целью задачами исследования являются:

1. Исследование процесса перехода в псевдоожиженное состояние смеси, состоящей из антрацитового штыба и гранул, изготовленных из лузги подсолнечника в зависимости от концентрации биогранул в смеси.

2. Получение расчетных зависимостей для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц, состоящей из антрацитового штыба и биогранул.

3. Исследование процесса совместного горения указанных выше биогранул и антрацитового штыба в высокотемпературном кипящем слое в топке промышленного котла со стационарной воздухораспределительной решеткой с периодической ручной подачей топлива, для оценки скорости горения топливной смеси и эмиссии оксидов серы, азота и диоксида углерода.

Научная новизна. Впервые экспериментально исследован процесс совместного псевдоожижения антрацитового штыба и биогранул - частиц, резко отличающихся друг от друга по форме и размерам - применительно к процессу их совместного сжигания в топке с высокотемпературным псевдоожиженным слоем. Определены предельные концентрации биогранул в их смеси со штыбом, обеспечивающие стабильность процесса псевдоожижения и максимальную эффективность процесса совместного горения штыба и биогранул при минимальной эмиссии диоксида серы и азота в атмосферу.

Получена аналитическая зависимость для расчета минимальной скорости совместного псевдоожижения двух полидисперсных смесей частиц, резко отличающихся по форме и размерам при турбулентном обтекании частиц псевдоожижающим газом.

Практическая ценность. Результаты исследования могут быть использованы научно - исследовательскими и проектно - технологическими организациями, занимающимися разработкой и модернизацией топок печей и нагревательных устройств малотоннажных производств химической промышленности, а также котлов и котельных коммунальной и промышленной энергетики.

Результаты работы реализованы при реконструкции коммунальной котельной в Инжавинском районе Тамбовской области (МОУ СОШ № 1)за счет замены антрацита класса "семечко" на смесь антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, получен годовой экономический эффект 245920 рублей (в ценах 2005 г.).

Предложена конструкция водогрейного котла (получен Евразийский Патент № 006130 от 27.10.05 г.), предназначенного для сжигания в псевдоожиженном слое мелкозернистого твердого топлива, в том числе смеси антрацитового штыба и биогранул.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на: 2nd World Conference on Pellets, Jonkoping, Sweden, 30 May - 1 June 2006 (Второй Всемирной конференции по пеллетам, Швеция, Йончепинг, 30 мая - 1 июня 2006), 19th International Conference on Fluidized Bed Combustion, Vienna, Austria, May 21 - 24, 2006 (19 - ой Международной конференции по сжиганию в псевдоожиженном слое, Вена, Австрия, 21 - 24 мая 2006 г.), Swedish - Finnish Flame Days 2005, Boras, Sweden, October 18 - 19, 2005 (Международной конференции "Шведско - Финские дни пламени", Бурос, Швеция, 18 - 19 октября 2005 г., IV Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники", Киев, Украина, 26 - 30 сентября 2005 г., Второй в Украине международной конференции "Энергия из биомассы", Киев, Украина, 20 - 22 сентября 2004 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 6 печатных работах, в т.ч. 3 статьи в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложения. Объем диссертационной работы составляет 105 страниц машинописного текста, содержит 20 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 92 наименований. Приложение содержит бизнес-план по модернизации существующих угольных котельных и акты внедрения результатов диссертационной работы автора на промышленных предприятиях.

Содержание работы

Во введении дается общая характеристика содержания диссертационной работы, формулируется цель и основные положения, выносимые на защиту.

в первой главе работы дан обзор современных представлений о процессе совместного псевдоожижения полидисперсных систем частиц разного размера и плотности, в том числе о существующих аналитических и эмпирических зависимостях для определения минимальной скорости псевдоожижения полидисперсных систем частиц, представлен анализ существующих видов биомассы и технологий совместного сжигания углей и разных видов биомассы, сделан вывод о необходимости осуществления такого сжигания в псевдоожиженном слое с точки зрения максимальной эффективности и надежности и экологической безопасности процесса.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе представлены методика проведения экспериментов по исследованию процесса совместного псевдоожижения частиц антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника на "холодной модели" (при комнатной температуре) и процессов совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в топке промышленного котла мощностью 300 кВт, конструкция которого разработана в результате предыдущих исследований, проводимых в Тамбовском государственном техническом университете. Исследования на "холодной модели" проведены в аппарате с прозрачными стенками, сечением 483 х 195 мм и высотой 1500 мм. Аппарат снабжен перфорированной воздухораспределительной решеткой (с долей "живого сечения" 5 %). Перепад давления в слое измерялся дифференциальным микроманометром ММ-1. Скорость воздуха, отнесенная к сечению пустого аппарата, измерялась с помощью термоанемометра "Testo 405 V1".

В слой последовательно загружались порции частиц, содержащих 20, 40, 50, 60 % и 100 % биогранул и 80, 60, 50 и 40 % антрацитового штыба соответственно. Вес частиц, загружаемых в аппарат, был постоянен и равен 5700 г. После загрузки порции частиц в аппарат включалась воздуходувка и слой частиц переводился в псевдоожиженное состояние. Постепенно увеличивая расход воздуха, измерялся перепад давления в слое и высота расширившегося слоя.

Исследования процессов совместного сжигания штыба и гранул проведены на промышленном котле, схема которого представлена на рисунке 1. В промышленном котле площадь поперечного сечения слоя была равна 0,452 м 2. Диаметр жаровой трубы котла был равен 1100 мм, длина жаровой трубы - 1200 мм, доля "живого" сечения воздухораспределительной решетки котла составляла 5 %.

1. Корпус котла. 2. Жаровая труба. 3. Устройство ввода дутьевого воздуха под слой топлива. 4. Короткие дымогарные трубы.

5. Длинные дымогарные трубы. 6. Псевдоожиженный слой.

7. Передняя дымовая коробка 8. Задняя дымовая коробка.

9. Дверка топки котла. B -Место отбора проб дымовых газов

Рисунок 1 - Схема котла, на котором проводились эксперименты.

Перед началом опытов готовились топливные смеси указанного выше состава. Биогранулы при подготовке смесей не измельчались.

Котел работал в номинальном режиме, при этом в его топке поочередно сжигались топливные смеси указанного выше состава. Порции топлива забрасывались в топку котла вручную через дверцу. Топливо забрасывалось на слой шлака и золы, оставшиеся от прогорания предыдущей порции. Заброс производили при отключенном дутьевом вентиляторе, после чего вентилятор включали и слой переходил в псевдоожиженное состояние. При переходе на сжигание топливной смеси другого состава из котла полностью удалялась зола и шлак, а котел разжигался вновь. После заброса порции топлива через каждые 60 секунд определялись температура и содержание в уходящих газах О 2, СО 2, СО, NO2, SO2. Определение химического состава и температуры дымовых газов проводилось в задней дымовой коробке (поз. 8, рисунок 1) котла после прохода газов по коротким дымогарным трубам (поз. 4, рисунок 1). Концентрации указанных компонентов измерялись с помощью газоанализатора "Газотест".

Время горения штыба оценивалось по изменению концентрации кислорода в дымовых газах. Считалось, что горение порции топлива завершилось, если концентрация кислорода в дымовых газах достигала того значения, которое было перед началом опыта.

В третьей главе изложены результаты исследования процесса совместного псевдоожижения и сжигания частиц антрацитового штыба и биогранул. Характеристики этих материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики частиц антрацитового штыба и биогранул

Характеристики топлив	Антрацитовый штыб	Гранулы из лузги подсолнечника
Теплота сгорания, МДж/кг	20,9	18,46
Зольность, %	27,9	5,4
Влажность, %	8,5	7,7
Выход летучих веществ, %	4,0	67,9
Содержание серы, %	1,25	0,1
Плотность частиц топлива, кг/м 3	1400	1300
Характеристики фракционного состава: сита, мм - массовая доля, % 0 - 0,5 0,5 - 1,0 1,0 - 2,0 2,0 - 4,0 4,0 - 6,0 > 6,0	5,9 11,4 27,3 35,3 18,5 1,6	Средний диаметр - 12 мм, средняя длина - 12,5 мм
Содержание углерода, %	57,8	46,2
Содержание водорода, %	1,2	5,5
Содержание азота, %	0,6	0,7
Содержание кислорода, %	1,3	34,4
Содержание хлора, %	0,1	0,12

В результате исследований на "холодной модели" установлено, что слой антрацитового штыба переходит в псевдоожиженное состояние при скорости воздуха равной 1,0 м/с, что в 2,37 раза меньше скорости псевдоожижения слоя биогранул. В слое, состоящем из смеси частиц штыба и биогранул, псевдоожижение штыба начинается до того, как во взвешенное состояние перейдут биогранулы. Со снижением концентрации биогранул в смеси значения минимальной скорости псевдоожижения уменьшаются, приближаясь в пределе к минимальной скорости псевдоожижения одного только штыба (рисунок 2, таблица 2).

Рисунок 2 - Значения перепада давления в слое в зависимости от скорости воздуха и состава смеси

Таблица 2 - Гидродинамические характеристики слоя, состоящего из смеси штыба и биогранул, при его переходе в псевдоожиженное состояние

Содержание биогранул в смеси, %	20	40	50	60	80	100
Скорость воздуха при переходе слоя в псевдоожиженное состояние, м/с	1,33	1,53	1,87	2,07	2,27	2,43
Коэффициент сопротивления слоя при его переходе в псевдоожиженное состояние,	45,27	27,97	18,81	15,57	11,48	11,85
Порозность слоя в момент начала его псевдоожижения, mf	0,335	0,364	0,423	0,558	0,55	0,544

В результате обработки экспериментальных данных были рассчитаны значения порозности слоя указанного ранее состава в зависимости от скорости псевдоожижающего воздуха и значения коэффициента сопротивления слоя, причем значения последнего рассчитывались по известному уравнению:

= (Eu 2 dэ)/H = (P 2 dэ)/[ (Uf/)2H]

Процесс перехода в псевдоожиженное состояние смеси гранул и штыба зависит от содержания биогранул в смеси. При концентрации до 60 % возможно совместное псевдоожижение штыба и гранул, когда гранулы свободно перемещаются в псевдоожиженном слое штыба. При этом до перехода в псевдоожиженное состояние гранул коэффициент сопротивления слоя либо не меняется, либо меняется слабо. После же перехода в псевдоожиженное состояние биогранул коэффициент сопротивления слоя начинает резко уменьшаться. При концентрации биогранул в смеси 80 % и выше коэффициент сопротивления слоя монотонно снижается с ростом скорости воздуха. Это происходит потому, что штыб выдувается из слоя гранул и псевдоожижается, как показывают визуальные наблюдения, отдельно от гранул в верхней части слоя. Гранулы в этом случае не оказывают сопротивления перемещению частиц штыба, поэтому общее сопротивление слоя оказывается ниже, чем в случае когда гранулы и штыб псевдоожижаются совместно (рисунок 2). В слое, содержащем штыб и гранулы, псевдоожижение штыба начинается до перехода гранул в псевдоожиженное состояние, что отражается в виде пологой кривой зависимости перепада давления в таком слое от скорости газа с небольшим максимумом в точке, соответствующей переходу гранул в псевдоожиженное состояние. При псевдоожижении одних только гранул имеет место классическая кривая зависимости перепада давления в слое от скорости газа с резким пиком в точке, соответствующей переходу слоя гранул в псевдоожиженное состояние.

Как видно из таблицы 2, порозность слоя в момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние возрастает с увеличением доли биогранул, достигает максимума при концентрации биогранул равной 60 %, а затем практически не меняется.

Приведенные данные о влиянии порозности на процесс совместного псевдоожижения частиц разных размеров подтверждаются известными из литературы экспериментальными данными: чем выше порозность полидисперсного псевдоожиженного слоя, тем более отчетливо наблюдается процесс сепарации крупных и мелких частиц, причем существует такое критическое значение порозности, ниже которой сепарация не наблюдается.

По результатам эксперимента была рассчитана "истинная" скорость воздуха (скорость воздуха в просветах между частицами слоя) Ui = Uf/.

Начало псевдоожижения всего слоя происходит при примерно одном и том же значении Ui = 3,97 м/с при х = 0,2; 4,2 м/с при х = 0,4; 4,42 м/с при х = 0,5; 4,13 м/с при х = 0,8; 4,47 м/с при х = 1,0. Это позволяет предположить, что псевдоожижение биогранул в слое антрацитового штыба происходит не за счет вязкости воздуха или вязкости суспензии штыб - воздух, а за счет кинетической энергии воздушного потока, движущегося в просветах между частицами слоя.

Для расчета минимальной скорости псевдоожижения по аналогии с [Rowe P.N., Nienow A.W.; "Minimum Fluidization Velocity of Multi - Component Particle Mixture", Chemical Engineering Science, 1975, No 8, Vol. 30, pp. 1365 - 1369] будем определять перепад давления при течении газа через пористую среду по базовой зависимости:

dP/dh = kf (f/f)2-n(Uf/)n[S(1 - )/]2-n (1)

где S - удельная поверхность частиц (поверхность частиц слоя, приходящаяся на единицу его объема).

Интегрирование выражения (1) по высоте слоя Н приводит к выражению:

P/H = kf (f/f)2-n(Uf/)n[S(1 - )/]2-n (2)

В момент начала псевдоожижения имеем:

P/H = (s - f)(1 - 0)g (3)

Это приводит к следующему выражению для минимальной скорости псевдоожижения:

U0 = k-1/n[(s - f)/f]1/n(f/f)(1-2/n)g1/n[(0)3/(1 - 0)2 - n]1/nS(1 - 3n) (4)

Для частиц антрацитового штыба удельная поверхность S = 6/F1.d1, причем F1 = 0,67. Для гранул цилиндрической формы, имеющих диаметр d и длину l, удельная поверхность будет равна:

S2 = (6/d2)[2/3 + (1/3)(d2/l2)] (5)

В нашем случае длина гранул равна их диаметру (см. таблицу 1), поэтому удельная поверхность таких гранул будет равна S = 6/d2.

В таком случае выражение для S примет вид:

S = (6/d1)[(x1 + (d1/d2F1.)x2] (6)

При этом важно, что для использования полученного соотношения (6) не требуется определять условный эквивалентный диаметр смеси частиц штыба и гранул. Поскольку частицы штыба и гранул значительно отличаются по размерам, расчеты эквивалентного диаметра смеси по известным зависимостям дают сильно заниженные результаты.

Для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц предложена формула для сферических частиц:

U0 = U1{(0/1)3[(1 - 1)/(1- 0)]2 - n}1/n[x1 +(d1/d2)x2 + …](1 - 3/n) (7)

которая с учетом выражения (6) для двухкомпонентной смеси частиц штыба и биогранул может быть преобразована к виду:

U0 = U1{(0/1)3[(1 - 1)/(1- 0)]2 - n}1/n[(x1/F1.) +(d1/d2)x2 ](1 -3/n)) (8)

Для крупных частиц, которые рассматриваются в настоящем исследовании, U0 d0,5, показатель степени в выражении (8) получен равным

1 - 3/n = - 0,5, т.е. n = 2

Тогда уравнение (8) примет вид:

U0= U1{(0/1)3}1/2[x1/F1 +(d1/d2.)x2 ]-0,5 (9)

Порозность слоя, состоящего из одного антрацитового штыба может быть легко определена в случае, если известна насыпная плотность штыба:

1 = 1 - 1b/1 (10)

Порозность слоя, состоящего из смеси частиц антрацитового штыба и биогранул, может быть рассчитана следующим образом.

Пусть насыпная плотность смеси частиц равна сумме насыпных плотностей составляющих эту смесь компонентов с учетом их массовой доли:

b = x11 + x22 (11)

или

(1 - 0) = х 1(1 - 1)1 + x2(1 - 2)2 (12)

Если плотности составляющих смесь частиц равны друг другу или близки (как в случае антрацитового штыба и биогранул), то выражение (12) примет вид:

1 - 0 = х 1(1 - 1) + x2(1 - 2) (13)

или

0 = 1 -[ х 1(1 - 1) + x2(1 - 2)] (14)

Используя совместно выражения (9) и (14) можно определить минимальную скорость псевдоожижения смеси частиц антрацитового штыба и биогранул. Предложенные зависимости можно использовать и для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси других крупных частиц.

Рассчитанные по уравнениям (9) и (14) и измеренные значения порозности и минимальной скорости псевдоожижения смеси в зависимости от ее состава приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Сопоставление измеренных и рассчитанных значений минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц антрацитового штыба и биогранул в зависимости от концентрации последних

Источник получения данных	х 2 = 0,2	х 2 = 0,4	х 2 = 0,5	х 2 = 0,6	х 2 = 0,8
Расчет U0, м/с, по зависимостям (9) и (14)	1,17	1,49	1,65	1,85	2,39
Эксперимент, U0, м/с	1,33	1,53	1,87	2,07	2,27
Расчет 0 по зависимости (13)	0,379	0,385	0,441	0,462	0,503
Эксперимент, 0	0,335	0,364	0,423	0,558	0,55

Полученные в ходе экспериментов или рассчитанные по зависимости (9 - 14) значения минимальной скорости псевдоожижения смеси антрацитового штыба и биогранул при комнатной температуре необходимо пересчитать на ту температуру среды, которая будет реально наблюдаться в топке с высокотемпературным псевдоожиженным слоем, например, для температуры 730 С, при которой, как показывают эксперименты, происходит воспламенение антрацитового штыба в псевдоожиженном слое.

Для определения минимальной скорости псевдоожижения известное уравнение Эргана может быть преобразовано к виду.

1,75C1(Remf)2 + 150C2Remf = Ar (15)

где

С 1 = [1/s(mf)3], C2 = (1 - mf)/[(s)2(mf)3]

На основании данных более чем 250-ти экспериментов со слоями частиц разного размера, плотности и псевдоожижаемых разными газами в работе (Pattipati Ranga R., Wen C.Y.; "Minimum Fluidization Velocity at High Temperature",Industrial & Engineering Chemistry Process Desing and Development, 1981,No 4, Vol. 20, pp.795 - 797) сделан вывод, что С 1 14, а С 2 11. Далее считают, что для мелких частиц (Remf мало) первый член в левой части в уравнении (15) мал и 150С 2Remf = Ar или Umf = constant. Вязкость газа увеличивается с ростом температуры и Umf с ростом температуры псевдоожижающего газа уменьшается. Для крупных частиц (Remf 500 1000) первый член в левой части уравнения (15) превосходит значительно второй член и

1,75(Remf)2 = Ar или (Umf)2 = const (16)

С ростом температуры плотность псевдоожижающего газа снижается, а минимальная скорость псевдоожижения растет. Зная значение Umf и плотность псевдоожижающего газа при комнатной температуре можно найти значение константы в уравнении (16), а зная плотность псевдоожижающего газа при интересующей нас температуре - значение Umf при данной температуре.

В таблице 4 представлены результаты расчета константы в уравнении (16), значения U0 для различного состава смеси при температуре псевдоожижающего газа 1000 С и значения скорости газов в сечении псевдоожиженного слоя в топке котла при указанной температуре.

Как видно из этой таблице, псевдоожижение смеси штыба и биогранул при температуре псевдоожижающего газа 1000 °С возможно при концентрации биогранул в смеси не более 40%

Таблица 4 - Расчетные характеристики слоя частиц штыба и биогранул при температуре 1000 С

х 2	0,2	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0
Значение константы в уравнении (16)	2,282	3,02	4,51	5,528	6,647	7,617
U0(при 1000 С), м/с	2,67	3,07	3,75	4,15	4,56	4,87
Скорость газа в слое, м/с	3,41	3,23	3,15	3,11	3,0	2,89

Опыты по совместному сжиганию антрацитового штыба и биогранул в топке с псевдоожиженным слоем промышленного котла подтвердили сделанные ранее выводы. Кривые изменения концентрации кислорода в дымовых газах представлены на рисунке 3. Как видно из этого рисунка при сжигании одного антрацитового штыба после подачи свежей порции топлива в течении примерно 300 секунд концентрация кислорода в дымовых газах не меняется, оставаясь на довольно высоком уровне (14,5 %), который был после чистки топки от золы и шлака, оставшихся от сжигания предыдущей порции топлива.

Рисунок 3. Кривые изменения концентрации кислорода в дымовых газах

Очевидно, что в этот период времени протекает процесс сушки и прогрева штыба, т.е. процесс подготовки штыба к воспламенению. Затем концентрация кислорода падает, т.е. начинается процесс горения штыба. Достигнув своего минимального значения, концентрация кислорода начинает вновь расти по мере выгорания порции топлива и достигает своего исходного значения при завершении процесса горения топлива. Весь процесс горения порции антрацитового штыба в топке котла нашей конструкции занимает 650 секунд. При сжигании смеси антрацитового штыба и биогранул процессы протекают аналогично описанному выше, но значительно быстрее. При добавлении к штыбу биогранул происходит резкое снижение продолжительности горения топливной смеси в сравнении с продолжительностью горения одного штыба (с 650 до 420 секунд) если концентрация биогранул в смеси не превышает 40 %. В этом диапазоне концентраций слой штыба и гранул должен, согласно нашим расчетам, находиться в псевдоожиженном состоянии, биогранулы равномерно распределяются по объему слоя, горение летучих, выделяющихся из гранул, в максимальной степени способствует прогреву штыба и ускоряет процесс его подготовки к воспламенению. При увеличении концентрации биогранул в смеси псевдоожижение слоя прекращается, скорость в верхнем сечении слоя снижается, перемешивание частиц топлива ухудшается и продолжительность горения уменьшается только на 60 секунд при росте концентрации биогранул с 40 до 100 %. Рост концентрации биогранул в смеси увеличивает эмиссию диоксида азота в атмосферу. При сжигании антрацитового штыба без гранул эмиссия оксида углерода составляет 2370 мг/м 3. С увеличением доли гранул в смеси со штыбом эмиссия СО возрастает и достигает своего максимального значения 3177 мг/м 3 (при сжигании одних гранул). С увеличением доли биогранул возрастает эмиссия диоксида азота в атмосферу с 210,4 мг/м 3 (х 2 = 20 %) до 315,2 мг/м 3 (х 2 = 100 %).

Проведенные исследования позволили предложить способ совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожиженном слое, заключающийся в подаче в топку котла заранее приготовленной смеси штыба и гранул, при содержании последних не более 40 %. Проведено опытное внедрение разработанного способа сжигания в котельной Инжавинской средней школы Инжавинского района Тамбовской области. Технико-экономические показатели работы котельной до и после ее перевода на сжигание смеси антрацитового штыба и биогранул приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Технико-экономические показатели работы котельной Инжавинской средней школы № 1 до и после её перевода на сжигание смеси антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника

Наименование показателя	До реализации проекта	После реализации проекта
1	2	3
Присоединенная мощность котельной, кВт	550	550
Годовая потребность в топливе, т	496	587
Годовые затраты на топливо, тыс. руб.	1091,2	845,28
Экономия затрат, т. руб..	-	245,92

Экономия затрат на топливо позволила произвести реконструкцию котельной и установить в ней вместо четырех котлов "Универсал - 6" два котла КВр - 0,3 АК.

Результаты исследования приняты к внедрению в коммунальной энергетике Тамбовской и Ростовской областей. В 2007 году в котельных МУП "Заветинские теплосети" (Заветное, Ростовской области) планируется применение процесса совместного сжигания гранул из лузги подсолнечника и антрацитового штыба. Компания Camco International (ведущая организация в области реализации механизмов Киотского протокола, занимающаяся идентифицированием, кредитованием и реализацией проектов по сокращению выбросов парниковых газов) будет использовать результаты исследования при разработке проектов совместного осуществления по сокращению выбросов диоксида углерода с предприятиями коммунального хозяйства и промышленной энергетики России и других стран.

Основные результаты и выводы работы

Исследован процесс совместного псевдоожижения антрацитового штыба и биогранул, изготовленных из лузги подсолнечника, на "холодной" модели при комнатной температуре, в результате чего установлено: добавление мелких частиц (антрацитового штыба) к более крупным частицам (биогранулам) позволяет существенно (в 1,3 - 1,83 раза) снизить минимальную скорость псевдоожижения образующейся смеси частиц, если содержание штыба в смеси не менее 50 % от общей массы смеси.

Дальнейшее снижение содержания штыба в смеси и доведение таким образом концентрации биогранул в смеси до 60 - 80 % позволяет снизить минимальную скорость псевдоожижения частиц, находящихся в аппарате, не более, чем в 1,07 - 1,17 раза по сравнению с минимальной скоростью псевдоожижения одних биогранул.

Предложена аналитическая зависимость для определения минимальной скорости псевдоожижения смеси частиц, дающая удовлетворительные результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными.

Расчетным путем показано, что при температуре, соответствующей температуре воспламенения антрацитового штыба в псевдоожиженном слое, псевдоожижение смеси штыба и биогранул возможно, если концентрация биогранул в смеси не превышает 40 %.

Продолжительность горения порции топлива зависит от того, находится ли слой топлива в псевдоожиженном состоянии или нет. При концентрации биогранул в смеси не выше 40 % в топке, содержащем слой частиц антрацитового штыба и биогранул, наблюдается псевдоожижение, за счет чего частицы штыба быстрее подготавливаются к воспламенению и продолжительность горения порции топлива, состоящего из биогранул и штыба, сокращается в 1,55. Однако, при увеличении доли биогранул (с 40 до 100 %) в топливной смеси псевдоожижение слоя, состоящего из антрацитового штыба и биогранул, прекращается и продолжительность горения порции топлива сокращается менее заметно (в 1,17 раза).

На основе полученных результатов сформулированы рекомендации по проектированию и эксплуатации котлов для малых котельных.

Предложена конструкция водогрейного котла, на которую получен Евразийский Патент, предназначенного для сжигания в псевдоожиженном слое мелкозернистого твердого топлива, в том числе смеси антрацитового штыба и биогранул. Внедрение разработанного способа на одной из коммунальных котельных в Тамбовской области (Инжавинская средняя школа № 1) позволило получить годовой экономический эффект 245920 руб. (в ценах 2005 г.). гидродинамика псевдоожиженный котельный

Основные обозначения

d1, d2, мм - эквивалентный диаметр частиц антрацитового штыба и диаметр частиц биогранул соответственно, F - коэффициент формы для частиц антрацитового штыба, g, м/с 2 - ускорение силы тяжести, h, м - расстояние от воздухораспределительной решетки, H, м - высота слоя, n - показатель степени, р, Па - давление, Р, Па - перепад давления в слое, S - удельная поверхность частиц, Uf, м/с - скорость газа, U0, м/c - минимальная скорость псевдоожижения смеси частиц, U1, м/с - минимальная скорость псевдоожижения частиц штыба, Ui, м/с - скорость движения газа между частицами слоя, х 1 - доля частиц антрацитового штыба в смеси, х 2 - доля биогранул в смеси, Re - критерий Рейнольдса, Ar - критерий Архимеда, 1, 2, 0 - порозность слоя штыба, биогранул и слоя, состоящего из смеси биогранул и штыба, в состоянии минимального псевдоожижения, s, 1, 2, 1b, , b кг/м 3 - плотность твердых частиц, плотность частиц антрацитового штыба и биогранул, насыпная плотность частиц антрацитового штыба, плотность слоя, состоящего из смеси частиц, насыпная плотность слоя, состоящего из смеси частиц штыба и биогранул, f, кг/м 3 - плотность газа, f, Па•с - динамическая вязкость газа.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Михалев А.В., Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Зорин А.Т. Улучшение экологических показателей работы коммунальных угольных котельных путем совместного сжигания биомассы и низкосортных углей // "Промышленная энергетика", 2005, № 12, с.35 - 39.

2. Михалев А.В., Кузьмин С.Н., Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Красавцев Б.Е., Зорин А.Т. Исследование сосжигания антрацитового штыба и биогранул в отопительном котле с топкой с высокотемпературным кипящим слоем // "Промышленная теплотехника", 2006, т. 28, № 1, с. 64- 68.

3. Назаров С.М., Калинин Э.В., Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Михалев А.В., Ковалерчик М.Е. Рациональный выбор топлива для муниципальной котельной или при каких условиях уголь может стать альтернативой природному газу // "Новости теплоснабжения", 2006, № 3, с. 25 - 28.

4. Исьемин Р.Л., Кондуков Н.Б., Михалев А.В., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В. Гидродинамические основы организации совместного сжигания антрацитового штыба и биогранул в высокотемпературном псевдоожиженном слое // "Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского", 2006, т. 3, № 5

5. Исьемин Р.Л., Коняхин В.В., Кузьмин С.Н., Михалев А.В. Зорин А.Т., Будкова Е.В. О Возможности использования угольных антрацитовых штыбов и местных видов биотоплива в коммунальной энергетике России и Украины // Енергетика та електрифiкацiя. Науково-виробничий журнал Мiнiстерства палива та енергетики Украiни № 9 (277) Вересень (сентябрь) 2006 г., с. 45-51

6. Горизонтальный цилиндрический жаротрубно - дымогарный котел с топкой кипящего слоя // Евразийский Патент № 006130 В 1, F 24 H 1/28, F 23 C 10/20 (Исьемин Р.Л., Кузьмин С.Н., Коняхин В.В., Михалев А.В.), 27.10.2005 г.

Размещено на Allbest.ru

...