Введение к работе
Актуальность темы исследования. Многокомпонентный псевдоожиженный слой твердых частиц – это слой, состоящий из частиц, резко отличающихся друг от друга по размерам, форме, плотности. Такие слои образуются в нижней части топок с циркулирующим кипящим слоем, когда в слой мелких частиц эквивалентным диаметром 300-1000 мкм вводят определенное количество крупных и тяжелых частиц эквивалентным диаметром 10 мм и более для стабилизации процесса воспламенения и горения твердого топлива и увеличения времени пребывания циркулирующих частиц в придонной части циркулирующего слоя. Такой слой рассматривается как альтернатива обычному циркулирующему слою, так как в нем значительно увеличиваются скорости протекания обменных процессов. В качестве крупных частиц могут использоваться биогранулы. В этом случае, кроме выше перечисленных эффектов от введения в слой крупных частиц, можно достичь существенного снижения эмиссии парниковых газов, золы и окислов серы в атмосферу.
С другой стороны, анализ литературных данных показывает, что процессы перехода в псевдоожиженное состояние таких слоев исследованы недостаточно. Более того, известные экспериментальные методы исследования переходных процессов в системах газ – твердые частицы, в том числе методы экспериментального определения минимальной скорости псевдоожижения, для многокомпонентных систем непригодны. Также отмечается, что в кипящем слое возможно самопроизвольное формирование многокомпонентной системы при агломерации частиц, ведущей, как правило, к прекращению кипения и останову реактора. Диагностика процесса дефлюидизации представляет, таким образом, самостоятельную важную научно-техническую задачу, решение которой позволяет повысить надежность и эффективность работы реакторов с кипящим слоем. Известные методы диагностики дефлюидизации малоэффективны, поскольку не позволяют установить факт появления в слое агломератов частиц, и не проверены для условий работы реальных реакторов с кипящим слоем.
Данная работа выполнялась в соответствии с государственным контактом с Министерством образования и науки РФ № 16.516.12.6002 «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области повышения эффективности вновь разрабатываемых и существующих котлов с кипящим слоем при совместном сжигании низкосортных углей с биомассой» и государственным контрактом № 16.526.11.6010 «Разработка технологии предварительной термической обработки древесных и растительных отходов для получения биотоплива, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.».
Цель работы – исследование псевдоожижения многокомпонентных, в том числе самопроизвольно формирующихся, «холодных» и «горячих» слоев, процесса сжигания в таких псевдоожиженных слоях гранулированного биотоплива с низкой температурой плавления золы.
Научная новизна работы. В области перехода многокомпонентного слоя в состояние псевдоожижения, как при комнатной температуре, так и для условий реального химико-технологического процесса при сжигании биотоплива, установ-лена связь между переходами в системе газ – твердые частицы и средне-квадратичным отклонением пульсаций перепада давления в слое, позволяющая экспериментально определить момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние и значение минимальной скорости псевдоожижения.
Предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя как в «холодном», так и в «горячем» состоянии.
Разработан и экспериментально проверен метод идентификации прекра-щения ожижения, вызванного изменением гранулометрического состава слоя. Метод основан на непрерывном измерении пульсаций перепада давления в слое, определении для них безразмерной амплитуды и сопоставлении полученных результатов с пороговым значением безразмерной амплитуды, определяемым для каждого материала слоя. Полученные результаты позволили быстро и надежно отслеживать появление необратимых изменений состава слоя, приводящих к агломерации частиц и прекращению кипения – дефлюидизации.
Практическая ценность работы. Предложенный метод анализа процесса дефлюидизации может быть использован при эксплуатации аппаратов с кипящим слоем для быстрого реагирования на необратимые процессы, связанные с агломерацией материала слоя.
По результатам исследований процесса горения биотоплива в турбулентном кипящем слое спроектирован, изготовлен и испытан теплогенератор, конструкция топочного устройства которого позволяет реализовать процесс сжигания топлив с низкой температурой плавления золы в бесшлаковочном режиме. На конструкцию котла получено положительное решение о выдаче Евразийского патента на изобретение. Разработанный теплогенератор включен в технологическую схему производства биотоплива с улучшенными технико-экономическими характеристи-ками (государственный контракт № 16.526.11.6010), которое по договору о сотрудничестве между ФГБОУ ВПО «ТГТУ» и ОАО «ПРОДМАШ» от 25 января 2012 г. будет выпускаться ОАО «ПРОДМАШ» с III квартала 2013 г.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Четвёртой международной конференции по защите окружающей среды в промыш-ленных процессах (CISAP 4), 14-17 марта 2010 г., Флоренция, Италия; Между-народной выставке-конференции по возобновляемой энергии, 27 июня – 2 июля 2010 г., Йокохама, Япония; Седьмой международной теплофизической школе, 20- 25 сентября 2010 г., Тамбов; Седьмой Средиземноморской конференции по сжига-нию, 11-15 сентября 2011 г., Кальяри, Италия.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 9 печатных работах, из них: в международных зарубежных реферируемых журналах – 4 публикации, в журналах, рекомендованных ВАК РФ – 3 публикации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Объем диссертационной работы составляет 87 страниц машинописного текста, содержит 44 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 63 наименования.
