Содержание к диссертации
Введение
1. Свойства биотоплива и особенности его горения 12
1.1 Характеристика древесного биотоплива 12
1.2 Горение древесины
1.2.1 Прогрев частицы и испарение содержащейся в ней влаги 15
1.2.2 Процесс выхода и горения летучих веществ 16
1.2.3 Горение коксового остатка
1.3 Пиролиз и газификация древесины 19
1.4 Образование вредных примесей (NOx) 20
2. Исследования по тематике термических методов анализа и лабораторное оборудование для проведения анализа 23
2.1 Опубликованные работы по тематике термических методов анализа 23
2.2 Анализ приборного ряда для проведения термического анализа 25
2.3 Анализ литературы по термогравиметрическим исследованиям 27
2.4 Использование кинетических параметров при численном моделировании топочного процесса котельного агрегата 35
3. Термические методы анализа биотоплива в лабораторных условиях 39
3.1 Подготовка образцов биотоплива для проведения термического метода анализа 39
3.2 Проведение термических методов анализа биотоплива 43
3.2.1 Термогравиметрический и кинетический анализы биотоплива 43
3.2.2 Математические модели определения кинетических характеристик 48
3.3 Кинетический анализ на основе распределенной модели определения энергии активации 50
3.4 Морфологический анализ структуры образцов и коксового остатка 55
3.5 Хроматографический анализ газовых смесей в процессе пиролиза различных видов древесного топлива 59
4. Результаты моделирования топочного процесса низкоэммисионного вихревого котла 64
4.1 Схема и технические характеристики котельного агрегата ПК-10 67
4.2 Модель горения угольного топлива 69
4.3 Моделирование турбулентности
4.3.1 Модели турбулентности 70
4.3.2 Метод пристеночных функций
4.4 Модель топочного устройства котельного агрегата 72
4.5 Результаты численного моделирования
5. Результаты моделирования топочного процесса низкоэммисионного вихревого котла ПК-10 для перевода его на сжигание древесного топлива 76
5.1 Модель горения древесного топлива 76
5.2 Модель и результаты численного моделирования котельного агрегата ПК-10 при сжигании древесного топлива 78
5.3 Численное моделирование топочного процесса низкоэмисионного вихревого котла ПК-10 при совместном сжигании угля и древесного топлива 82
5.4 Оценка экономической эффективности предложенных технических решений 87
Выводы и научные рекомендации 91
Библиографический список
- Прогрев частицы и испарение содержащейся в ней влаги
- Анализ литературы по термогравиметрическим исследованиям
- Математические модели определения кинетических характеристик
- Модель топочного устройства котельного агрегата
Прогрев частицы и испарение содержащейся в ней влаги
Содержание влаги в биотопливе играет значительную роль в процессе горения. Обычно, свежесрубленные деревья содержат до 60 % влаги в связанном или свободном состоянии. Даже после естественной сушки содержание влаги все еще остается на уровне 10-15 %. При горении мелких частиц (мелко размолотое топливо (порошок)), частицы нагреваются очень быстро, но при этом существуют скрытые потери энергии на испарение влаги, содержащейся в биотопливе. В связи с этим, из-за высокого содержания влаги в некоторых видах биотоплива, процесс сушки происходит отдельно, что значительно влияет на температуру и стабильность факела. Тем не менее, на больших промышленных энергетических установках процесс сушки является очень энергозатратным и существует промышленный интерес в использовании топлив с высоким содержанием влаги с одной стороны, или подготовка топлива, используя пеллетирование и брикетирование с другой стороны.
Прогрев частицы твердого топлива в топках современных котлов происходит в основном за счет конвективного теплообмена между частицей и потоком раскаленных газов, которые с помощью тех или иных конструктивных мероприятий подводятся к пылевоздушной струе.
В этом случае изменение температуры частицы во времени при условии постоянства температуры потока с учетом только конвективной составляющей теплообмена и при отсутствии градиента температуры по сечению частицы (Bi«l) можно оценить по формуле:
В формуле (1) скорость отставания частицы от потока газов учтена в критерии Nu. Полное время прогрева частицы: диаметр частицы, м; Сч - удельная теплоемкость частицы, кДж/(кг-К); Тч температура частицы, К; Тг - температура дымовых газов, К; Тчо - начальная температура частицы, К; Nu = а-5/Хг - критерий Нуссельта; для мелких частиц можно принять Nu = 2; Q/Qmax-отношение количества тепла, воспринятого частицей, к максимально возможному при данной температуре потока; это отношение с достаточной степенью точности можно принять равным 0,95 для определения времени максимального нагрева частицы:
Процесс выхода летучих веществ играет огромную роль в процессе пиролиза твердого биотоплива, так как в древесном биотопливе содержится 70-80 % летучих веществ от общей массы. Для древесного биотоплива процесс выхода летучих веществ начинается при температуре около 160-250 С. В сравнении для угля около 350 С. Количество и структура продуктов пиролиза зависит от конечной температуры и скорости нагрева, а также от размера частиц биотоплива. Быстрый нагрев до высокой температуры приводит к большому выходу летучих веществ. Высокие температуры влияют на состав образующихся газов, на летучие органические компоненты и на смолы. Таким образом, в процессе горения биотоплива те летучие вещества, которые выделяются во время процесса сушки разлагаются и формируют в основном СО, СО2, НгО, вместе С СН4, 1 и некоторыми неорганическими веществами.
Энергетический потенциал летучих веществ в биотопливе обычно составляет 70 % всей теплоты, образующейся при его горении. В сравнении для угля около 36 %. Поэтому процесс выхода летучих веществ во время горения биотоплива играет определяющую роль, а горение коксового остатка является вторичным процессом, если рассматривать тепловую эффективность процесса горения.
В процессе нагрева еще до воспламенения частицы происходит термическое разложение органической массы топлива с выделением летучих веществ. В состав этих веществ входит значительное количество горючих компонентов, таких, как например, СН4, Нг и СО, которые в основном и определяют условия воспламенения топлива. В состав летучих входят также ценные химические вещества: смолы, кислоты и др., которые могут быть использованы при термической переработке топлива. Одной из характеристик процесса термического разложения топлива является квазистатический выход летучих, представляющий собой выход того или иного продукта термолиза при заданном температурном уровне процесса и длительной выдержке навески топлива в безкислородной среде. Однако квазистатический выход летучих может служить характеристикой процесса при относительно медленном его протекании. В случае быстрого нагрева (секунды или доли секунды) необходимо учитывать кинетику процесса выхода летучих.
Количество выделившихся продуктов зависит от их содержания в исходном материале и от скорости разрушения определенных групп связей. Для изотермических условий суммарное количество летучих V, которое может выделиться к моменту времени т, составит: Vo - суммарное количество летучих веществ, которое может выделиться к моменту полного завершения процесса термолиза; і - число групп реакций, учитываемых при описании процесса термолиза; СОІ - количественная характеристика определенной группы летучих, причем Сої + Со2+ + Он =1; ki -константа скорости соответствующей реакции разложения; считаем, что она подчиняется закону Аррениуса.
Для описания термолиза чаще всего принимают одно и двухкомпонентные схемы, при этом в уравнении (6) і принимают равным 1 или 2.
Более точные результаты дает расчет по двухкомпонентной схеме, которой рекомендуется пользоваться при анализе процесса термолиза топлив, богатых летучими. Для инженерных расчетов можно рекомендовать оценку суммарного количества выделившихся летучих по однокомпонентной схеме. Относительный выход летучих при постоянной температуре можно рассчитать по формуле, легко получаемой из формулы (6):
Прогрев частицы при постоянной температуре можно определить по формуле (1). Разбив температурную кривую прогрева частицы на п промежутков, примем, что в каждом промежутке температура постоянна и равна полу сумме в начале и в конце интервала. Выход летучих за один интервал может быть определен по формуле (7).
Анализ литературы по термогравиметрическим исследованиям
Установлено, что наличие высокотеплопроводного газа (Аг) в порах исследуемого вещества интенсифицирует процессы теплопередачи в образце. Это в свою очередь приводит к уменьшению амплитуды пика кривой ДСК. Сильное влияние оказывает газ, способный вступать в химическое взаимодействие с исследуемым образцом [31].
Основываясь на ДТГ анализе (рис. 8), была изучена динамика процесса термического разложения биотоплива. Определены температуры, при которых происходят изменения скорости убыли массы и максимальные ее значения по ДТГ кривой, иллюстрируемые экстремумом на данной зависимости.
Начальная фаза и продолжительность процесса сушки определялись по ТГ и ДТГ кривым (рис. 8). Ввиду низкой влажности исследуемых образцов процесс испарения влаги на ТГ и ДТГ кривых не имеет ярко выраженных пиков. Данный процесс для изученных видов топлива происходит в диапазоне температур от 20 до 120 С. В зависимости от породы древесины и газовой среды конечная температура процесса сушки варьировалась в пределах от 100 до 126 С. Изменение массы образца в начальной стадии происходит в незначительной мере в виду небольшого содержания влаги в испытуемых образцах.
Следующая стадия, оказывающая большое влияние на процесс термического разложения, является выход летучих веществ. Данная стадия происходит в диапазоне температур от 200 до 400 С и температура максимальной скорости выхода летучих веществ варьируется в диапазоне от 300 до 340 С, в зависимости от породы биотоплива. Это объясняется сочетанием полного разложения трех основных высокомолекулярных соединений: гемицеллюлозы, целлюлозы и частично разложением лигнина. Известно, что гемицеллюлоза формируется из различных соединений полисахаридов. Так 80-90 % гемицеллюлозы состоит из 4-О-метил глюкороноксилана для лиственных пород (береза и дуб), в то время как в хвойных породах (ель, сосна) содержится 60-70 % глюкоманнана и 15-30 % арабиногалактана. Таким образом, гемицеллюлозы лиственных пород древесины реагируют быстрее, чем хвойных в диапазоне выхода летучих веществ. Основная потеря массы происходит на данной стадии и является результатом процесса разложения оставшегося лигнина. Последняя стадия процесса термического разложения биотоплива - это догорание коксового остатка, которая характеризуется очень незначительным изменением массы образца, dm — 0. Процентное содержание твердого остатка, например кокса в среде аргона (кривая для dm — 0), определяется по ТГ кривой, где конечная температура пиролиза была примерно 1300 С. Анализируя ДТГ кривые (рис. 8), можно заметить, что начало процесса формирования коксового остатка для разных пород древесины начинается примерно при одинаковых температурах (480 -520 С).
Исследования проводились в воздушной и инертной средах для различных пород древесного топлива (табл. 4). По результатам проведенных исследований видно, что при переходе от воздушной к инертной среде температурные диапазоны процессов сушки и выхода летучих смещаются в зону более высоких температур. Температура максимальной скорости выхода летучих веществ при переходе от воздушной к инертной среде возрастает. Более подробно было доложено в [108, 109].
Полученные результаты показали, что при переходе от инертной к воздушной среде кривая ТГ смещается в зону меньших температур. Уменьшение массы образца в процессе сушки в инертной среды имеет меньшую скорость и протекает дольше, чем в воздушной среде. В области температур от 250-450 С кривая ТГ для воздушной среды имеет два характерных излома, в то время как, эта же кривая в инертной среде имеет один излом.
Рассматривая кривые ДСК исследований, можно заметить, что при переходе от инертной к воздушной среде амплитуда пика кривой ДСК увеличивается, но при этом площадь пика уменьшается. Кроме того, происходит смещение пика ДСК в зону более низких температур.
3.2.2 Математические модели определения кинетических характеристик
Для определения кинетических параметров, таких как энергия активации, порядок реакции и степень превращения, были предложены [32] несколько математических моделей. Кинетический анализ производится на базе ТГ данных, полученных в результате термического анализа биотоплива.
Кинетический анализ был проведен на основе термогравиметрических данных разложения холоцеллюлозы различных видов биотоплива с использованием математических моделей Озава-Флинн-Уолла и Фридмана.
Основа «Модели свободной кинетики» - это преобразование сигнала (теплового потока и потери массы) от степени разложения для каждой стадии разложения. Таким образом, это позволяет рассчитать энергию активации, предэкспоненциальный множитель и другие кинетические параметры для разных стадий процесса разложения [32].
Модель Озава-Флинн-Уолла основывается на методе конечных элементов (линейная регрессия) и позволяет определить шаг d(\og (3) I д(\ IТ). Таким образом, оцениваемая энергия активации может быть определена из уравнения (32), при использовании значения шага d(\og J3) / д(1 / Т) и значения b в первом приближении равным 0,457. Это и есть итеративный метод, использующий сгруппированные значения для b итераций. Эти значения были определены Дойле и находятся в пределах 1 EIRT 60.
Профессор С. Вязовкин [113,114] разработал модель, которая не предполагает выбора полной кинетической модели («Модель свободной кинетики»). Эта модель позволяет оценить простые и сложные реакции, при использовании различных скоростей нагрева. Данная модель базируется на уравнении (30) и степень превращения для данной температуры поддерживается постоянной. Скорость реакции зависит от степени химического разложения, температуры и времени. Анализ основан на принципе изоконверсии, что показывает постоянную скорость степени разложения, которая является функцией от температуры. Основное уравнение для неизотермальной кинетики основывается на выражении (31). Проинтегрировав выражение (31), получим уравнение:
Математические модели определения кинетических характеристик
Горелки расположены в существующих амбразурах. В верхней части амбразуры расположены сопла трех ярусов вторичного воздуха. Верхний ярус -горизонтальный, два нижних наклонены вниз на 10. Под соплами вторичного воздуха в четыре яруса размещаются сопла аэросмеси, имеющие индивидуальный наклон в нижнюю часть топки. Все элементы горелочного блока расположены на одной вертикальной оси и направлены тангенциально к воображаемой окружности диаметром 1 м в центре топки.
Котельно-топочную технику следует отнести к наиболее консервативному разделу энергетики, которая практически не менялась в течение нескольких последних десятилетий. Она развивалась почти в одном направлении: преимущественное применение прямоточного факела при совместной подаче в горелку топлива и воздуха, их спутном движении через топку и одновременном уменьшении концентрации окислителя; применение тонкого измельчения топлива; высокотемпературный подогрев воздуха для интенсификации сушки топливных частиц.
Почти все котельные установки, выпускаемые отечественными и зарубежными машиностроительными заводами, спроектированы по этим принципам сжигания. Имеется ограниченное количество котлов, в которых использованы иные приемы организации топочного процесса, например, в кипящем слое, однако, из-за технической сложности (необходимость монофракционного состава топлива, сложность эксплуатации, большие капитальные вложения и т.д.) они не получили широкого распространения [150-151].
Низкоэмиссионный вихревой способ сжигания позволяет создать в топке две зоны горения: вихревую низкотемпературную, занимающую нижнюю часть топки, включая зону холодной воронки, и традиционную прямоточную часть, располагающуюся выше горелочных устройств. Взаимодействие потоков горелочного и нижнего дутья вызывает вращательное движение топочных газов, в котором многократно циркулируют крупные топливные частицы. Таким образом, время их пребывания в топке увеличивается, а, следовательно, создаются условия для их более полного выгорания. Поэтому в модернизированной топке можно сжигать топливо угрубленного помола. Это обеспечивает низкотемпературный бесшлаковочный режим работы топки, уменьшение загрязнений и шлакования полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, а, следовательно, снятие ограничений по нагрузке, снижение расходов энергии на собственные нужды, повышение эффективности работы золоулавливающих устройств [152].
Низкоэмиссионная вихревая технология сжигания позволяет снизить эмиссию оксидов азота. «Термические» оксиды азота уменьшаются вследствие снижения уровня температур в топке. Снижение «топливных» оксидов азота удается достичь путем рассредоточенной подачи воздуха и топлива. Но главная особенность описываемой технологии заключается в полувосстановительном характере среды в нижней (вихревой) зоне топки, где присутствие большого количества активного кокса способствует процессу распада ранее образовавшихся оксидов азота.
Численное моделирование с использованием SigmaFlame использовалось для изучения аэродинамики топочного устройства, процесса горения топлива, тепломассообмена и образования вредных веществ.
В процессе движения угольной частицы происходит ее прогрев, сопровождающийся выходом остаточной влаги и летучих, горение летучих и коксового остатка. При описании этих процессов предполагается, что угольная частица состоит из четырех компонент: воды, летучих, углерода и золы. Для моделирования процессов горения угольной пыли в настоящей работе используется эмпирическая модель В.И. Бабия и Ю.В. Куваева [153].
Согласно данной модели сначала происходит процесс прогрева частицы в течение времени Тв.л. (принято, что это время соответствует времени выхода остаточной влаги): По окончании этого времени начинается выход летучих веществ. Считается, что скорость выхода летучих постоянна. Время выхода летучих равно:
Последний этап соответствует выгоранию кокса. Обзор работ показывает, что в топках котельных установок скорости реагирования углерода с СО и с Н2О протекают в десятки раз медленнее, чем с кислородом. Для описания выгорания кокса используется одна гетерогенная реакция кислорода с углеродом. Время этой реакции определяется как:
Считается, что при помощи уравнения Навье-Стокса можно описать как ламинарное, так и турбулентное течение (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., 1986), практически же реальные достижения в расчетах турбулентных потоков связаны с использованием полуэмпирических моделей турбулентности использующих подход Рейнольдса. Обоснованием необходимости применения такого подхода может служить приведенная в ряде работ оценка, согласно которой отношение характерных размеров энергосодержащих (крупных) вихрей мелкомасштабных вихрей, определяющих «турбулентный фон», имеет порядок Re3/4. Естественно, что, ориентируясь на возможности современных ЭВМ, решить поставленные задачи в практически важном диапазоне Re 103B настоящее время маловероятно. Уравнения движения в форме Рейнольдса:
Метод пристеночных функций, основанный на обобщении экспериментальных данных для развитых турбулентных течений, достаточно хорошо описывает пристеночные течения при значительных турбулентных числах Рейнольдса с пренебрежимо малой областью вязкого слоя. В случае не выполнения гипотез, лежащих в основе пристеночных функций, требуется модификация соотношений метода или использование низкорейнольдсовых диссипативных моделей. 4.4 Модель топочного устройства котельного агрегата
Модель топочной камеры котельного агрегата с существующими горелками и устройством нижнего дутья, построенная в данном программном комплексе, представлена на рисунке 19.
После построения модели, необходимо разбить объем топочной камеры на множество ячеек для использования в расчете метода конечных элементов (рис. 196).
На рисунках 20(а, б, в, г) приведены типичные результаты расчетов. Тангенциальное расположение угловых горелок приводит к формированию вихревого движения газов в топочной камере. Максимальные температуры газа в топочной камере находятся на уровне второго яруса горелок и составляют 1584 С (рис. 20а). Результаты расчета выявили проблемную зону около задней стены на уровне второго яруса горелок. В этой области высокие концентрации частиц, мало кислорода, высокие температуры и тепловой поток на стенку.
Модель топочного устройства котельного агрегата
Моделирование совместного сжигания угля и древесного топлива производилось в пропорции 70% угля и 30% опилок (по тепловыделению). Согласно рекомендациям, изложенным в [154], имеется возможность до 30% по тепловыделению совместное сжигание некондиционных древесных отходов с дробленым углем в НТВ топке. Дальнейшее увеличение доли древесных отходов в топливной смеси недопустимо по условиям обеспечения надежной работы третьей ступени пароперегревателя. Пропорция 70% угля и 30% опилок (по тепловыделению) является оптимальной для котельного агрегата ПК-10. Работа котла в данном режиме не требует больших капитальных затрат (раздел 6.4) на реконструкцию и достигается максимальный экономический эффект при сжигании смеси в приведенной пропорции.
Для подачи древесного биотоплива при совместном сжигании с углем дополнительно устанавливаются две горелки для ввода опилка в топку котла. Уголь подается в топку после дробления в ШБМ через горелки, представленные на рисунке 19а. Для моделирования совместного сжигания угля и опилка топочная камера котельного агрегата ПК-10 была немного модифицирована и представлена на рисунке 27а, расчетная сетка на рисунке 276. Из рисунка 27а видно, что древесное топливо подается в нижние горелки, обозначенные цифрами 5 и 6 и установленные с наклоном вниз. В остальные горелочные устройства 1,2,3,4 подается уголь.
Так как программа SigmaFlame не позволяет вводить данные по теплофизическим характеристикам, элементному и гранулометрическому составу, для пропорции 70% уголь и 30% опилок были произведены расчеты данных характеристик согласно [21]. По тепловым долям топлив в смеси были рассчитаны их массовые доли, которые использовались для расчета характеристик топливной смеси, вводимых в программу. Так, при сжигании смеси двух твердых топлив, заданной массовыми долями (g -доля одного из топлив), теплота сгорания 1 кг смеси рассчитывается по следующей формуле:
Сравнивая результаты расчетов по распределению температур, можно сделать вывод, что при совместном сжигании угля и биотоплива, максимальная температура в топочном устройстве 1476 С. Более низкая температура объясняется тем, что при совместном сжигании угля и биотоплива низшая теплота сгорания ниже, за счет влажности опилка. Если рассматривать аэродинамику, можно заметить 2 дополнительных вихря в правой части топки на уровне нижнего яруса и в левой части топки на уровне 2 яруса горелок. Это объясняется установкой двух дополнительных горелочных устройства для подачи биотоплива.
На рисунке 29 (а, б, в, г) изображены поля температур, концентраций NOx, СО2 и векторное поле скорости в горизонтальной плоскости на уровне второго яруса горелочных устройств в топочной камере котлоагрегата ПК-10 при сжигании смеси угля и древесного топлива.
Результаты численного моделирования (а - поле температур в поперечном сечении топки котлоагрегата (С); б - концентрация NOx в поперечном сечении топки (кг/кг); в - векторное поле скорости (м/с); г - концентрация ССЬ в поперечном сечении топки (кг/кг))
На рисунке 30а представлено распределение температур в пристенной области топочной камеры котельного агрегата. В отличие от сжигания только угольной пыли здесь не наблюдается несколько зон с наибольшими температурами и соответственно тепловыми потоками на стены. Распределение температуры по все стенке топочной камеры равномерное. Температура немного выше на уровне нижнего яруса горелок, где дополнительно вводится древесное топливо. В этом же месте с правой стороны образуется вихрь, что и говорит об интенсификации теплообмена в данной пристенной области.
Также как и при сжигании угля и только древесного биотоплива, можно выделить область на выходе из топочной камеры, где имеют место пониженные температуры газового потока. Это также объясняется тем, что вихревой поток с частицами топлива концентрируется в средней части выходного окна и у правой стены топки. При этом температура в центральной зоне выходного окна достигает до 1476 С.
Рассматривая аэродинамику (рис. 306) частиц угольной пыли и древесного топлива при их совместном сжигании можно наблюдать сходство движения частиц в топочной камере. Кроме этого можно заметить дополнительную вихревую зону с правой стороны на уровне нижнего яруса горелок. Этот вихрь образуется за счет подачи опилка через нижние дополнительные горелочные устройства.
Определение экономической эффективности внедрения предложенного технического решения, связанного с переводом котельного агрегата ПК-10 на сжигание древесного топлива, основывается на сопоставлении затрат на его осуществление с достигаемым благодаря этому проекту экономическим результатом [155].
Обоснование выбора топочного процесса для перехода на сжигание биотоплива следует проводить на основе системного подхода, включающего оценку эффективности его тепловой работы и экономических инвестиций, а также учета вредного воздействия на окружающую среду. Эффективность выбранной теплогенерирующей установки оценивается ее КПД и суммарной безразмерной концентрацией вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду. Экономическая эффективность инвестиций определяется в соответствии с рекомендациями [156-157].
Для повышения показателей эффективности и экономичности работы теплотехнического оборудования применяются различные методики, одни из них предусматривают использование многокритериальной оптимизации [158], а другие не требуют формирования комплексного критерия [159-160]. При этом последние целесообразно применять, когда критерии характеризуют качественно несоизмеримые свойства системы. В этом случае используется принцип абсолютного доминирования, в котором устанавливается приоритет рассмотрения критериев оптимизации с учетом введения ограничений на их значения. Преимущество данного метода заключается в том, что он не требует, как при формировании комплексного критерия, задания значений массовых коэффициентов для аддитивного учета критериев, определяемых на основании сложных экспертных оценок, а только определяет расположение критериев в ряд предпочтений.
Обоснование выбора топочного процесса для перехода на сжигание биотоплива по последовательно применяемым критериям позволяет также проводить приоритетный анализ различных способов сжигания индивидуально, с учетом предъявляемых требований.
Первоначальные затраты на осуществление мероприятий по реконструкции рассчитываются согласно следующим позициям:
Экономическая оценка мероприятий по модернизации и техническому перевооружению существующих ТЭС предполагает расчет экономической эффективности инвестиций, направленных на данные цели, которая определяется на основе анализа хозрасчетных показателей предприятий.