Комплексная эффективность применения древесных гранул в энергоустановках
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-1-159-172Ключевые слова:
котел, гранулированное древесное топливо, вредные вещества, численное моделирование, потери тепла, коэффициент полезного действияАннотация
В индустриально развитых странах для уменьшения воздействия «парниковых» газов на климат планеты активно поощряется замена ископаемого топлива биотопливом. Однако побочные продукты заготовки, обработки и переработки древесины ввиду их высокой влажности, низкой энергетической плотности и крайне неоднородного гранулометрического состава относятся к трудносжигаемым видам топлива. Перспективным направлением повышения энергетической плотности и транспортабельных показателей побочных продуктов лесопромышленного комплекса является их гранулирование. Сжигание гранулированного топлива в теплогенерирующих установках позволяет значительно повысить их энергетические и экологические показатели. Цель работы – экспериментальное и расчетное исследование энергетических и экологических показателей водогрейных котлов мощностью 4 МВт фирмы Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH при сжигании полученных из побочных продуктов деревообработки древесных гранул из сосны и ели. В ходе исследования определены составляющие теплового баланса котлов, эмиссии газообразных выбросов и твердых частиц. С использованием программного продукта тpexмepнoгo мoдeлиpoвaния Ansys Fluent проведено численное моделирование термохимических и аэродинамических процессов, происходящих в топочной камере котла. Оно в совокупности с промышленно-эксплуатационными испытаниями показало возможность снижения суммарной доли рециркуляции дымовых газов в топочные камеры котлоагрегатов до значений, не превышающих 0,45, при обеспечении допустимой температуры продуктов сгорания на выходе из камеры догорания и поддержании минимально низких эмиссий оксидов углерода и азота. При этом доля газов, подаваемых дымососами рециркуляции в надслоевую область топки, должна быть больше, чем доля подаваемых под наклонно-переталкивающие решетки котлов. Разработаны и внедрены рекомендации по комплексному повышению эффективности сжигания древесных гранул в топках водогрейных котлов мощностью 4 МВт. Первоочередными являются: использование воздуха, прошедшего по каналам охлаждения обмуровки, в качестве вторичного; снижение разрежения в топочных камерах до 30…70 Па; оптимизация соотношения первичного и вторичного воздуха, при этом доля первичного в общем расходе должна составлять 0,26–0,35. Внедрение разработанных рекомендаций позволило поднять КПД брутто котлов на 0,5…1,8 %, снизить аэродинамическое сопротивление газового тракта на 15…20 % и обеспечить стабильно низкие эмиссии оксидов углерода, азота и сажевых частиц. При проектировании котлоагрегатов для сжигания гранулированного древесного топлива целесообразно размещать в топочной камере поверхности нагрева, включенные в циркуляционный контур котла, что увеличит эффективность работы и жизненный цикл котлоагрегата.
Для цитирования: Любов В.К., Владимиров А.М. Комплексная эффективность применения древесных гранул в энергоустановках // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 1. С. 159–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-159-172
Скачивания
Библиографические ссылки
Башмаков И.А., Мышак А.Д. Затраты и выгоды реализации стратегий низкоуглеродного развития России: перспективы до 2050 года // Вопр. экономики. 2014. № 8. С. 70–91. [Bashmakov I.А., Myshak A.D. Costs and Benefits of the Transition to Low-Carbon Economy in Russia: Perspectives up to 2050. Voprosy Ekonomiki, 2014, no. 8, pp. 70–91]. DOI: 10.32609/0042-8736-2014-8-70-91
Кокорин А. Новые факторы и этапы глобальной и российской климатической политики // Экон. политика. 2016. Т. 11, № 1. С. 157–176. [Kokorin A. New Factors and Stages of the Global and Russian Climate Policy. Ekonomicheskaya Politika, 2016, vol. 11, no. 1, pp. 157–176]. DOI: 10.18288/1994-5124-2016-1-10
Любов В.К., Любова С.В. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив. Архангельск: САФУ, 2017. 533 с. [Lyubov V.K., Lyubova S.V. Efficiency Improvement of the Biofuels Energy Use. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2017. 533 p.].
Любов В.К., Малыгин П.В., Попов А.Н., Попова Е.И. Исследование эффективности работы водогрейного котла при сжигании биотоплив // Биотехнологии в хими-ко-лесном комплексе: материалы междунар. науч. конф., Архангельск, 11–12 сент. 2014 г. Архангельск: САФУ, 2014. С. 201–205. [Lyubov V.K., Malygin P.V., Popov A.N., Popova E.I. Biofuel Combustion Efficiency of the Hot-Water Boiler. Biotechnology in the Chemical and Forest Complex: Proceedings of the International Scientific Conference, Arkhangelsk, September 11–12, 2014. Arkhangelsk, NArFu Publ., 2014, pp. 201–205].
Любов В.К., Малыгин П.В., Попов А.Н., Попова Е.И. Определение потерь тепла в окружающую среду на основе комплексного исследования эффективности работы котлов // Теплоэнергетика. 2015. № 8. С. 36–41. [Lyubov V.K., Malygin P.V., Popov A.N., Popova E.I. Determining Heat Loss into the Environment Based on Comprehensive Investigation of Boiler Performance Characteristics. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2015, no. 8, pp. 36–41]. DOI: 10.1134/S004060151506004X
Макаров И.А., Чен Х., Пальцев С.В. Последствия Парижского климатического соглашения для экономики России // Вопр. экономики. 2018. № 4. С. 76–94. [Makarov I.A., Chen H., Paltsev S.V. Impacts of Paris Agreement on Russian Economy. Voprosy Ekonomiki, 2018, no. 4, pp. 76–94]. DOI: 10.32609/0042-8736-2018-4-76-94
Методика измерения массовой концентрации сажи в промышленных выбросах и в воздухе рабочей зоны: утв. ОАО НИИ «Техуглерод». Ярославль, 2005. 10 с. [Measurement Procedure of the Mass Concentration of Soot in Industrial Emissions and in the Air of the Working Area. OAO Scientific Research Institute “TEKhUGLEROD”, 2005. 10 p.].
Мохирев А.П., Безруких Ю.А., Медведев С.О. Переработка древесных отходов предприятий лесопромышленного комплекса, как фактор устойчивого природопользования // Инж. вестн. Дона. 2015. № 2, ч. 2. С. 81. [Mokhirev A.P., Bezrukikh J.A., Medvedev S.O. Recycling of Wood Wastes of Timber Industry, as a Factor of Sustainable Resource Management. Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Journal of Don], 2015, no. 2, part 2, art. 81].
Попова Е.И., Попов А.Н., Любов В.К., Варакин Е.А. Сжигание твердых топлив в водогрейном котле Firematic 60 // Природопользование в Арктике: современное состояние и перспективы развития: сб. науч. тр. 1-й Рос. науч.-практ. конф., Якутск, 22–25 сент. 2015 г. Якутск: СВФУ, 2015. С. 464–473. [Popova E.I., Popov A.N., Lyubov V.K., Varakin E.A. Solid Fuels Combustion in the Hot Water Boiler Firematic 60. Proceedings of the 1st International Scientific and Practical Conference “Nature Management in the Arctic: Current State and Development Potential”, Yakutsk, September 22–25, 2015. Yakutsk, NEFU Publ., 2015, pp. 464–473].
Сафонов Г.В., Стеценко А.В., Дорина А.Л., Авалиани С.Л., Сафонова Ю.А., Беседовская Д.С. Стратегия низкоуглеродного развития России. Возможности и выгоды замещения ископаемого топлива «зелеными» источниками энергии М.: ТЕИС, 2016. 48 с. [Safonov G.V., Stetsenko A.V., Dorina A.L., Avaliani S.L., Safonova Yu.L., Besedovskaya D.S. The Strategy of Low-Carbon Development of Russia. Opportunities and Benefits of Substitution of Fossil Fuels with Green Energy Sources. Moscow, TEIS Publ., 2016. 48 p.].
Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 270 с. [Collection of Methods for Determining the Concentrations of Pollutants in Industrial Emissions. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1987. 270 p.].
Тепловой расчет котлов (нормативный метод) / РАО «ЕЭС России», ВТИ, НПО ЦКТИ. СПб., 1998. 257 с. [Thermal Calculation of Boilers (Standard Method). Saint Petersburg, OAO Unified Energy System of Russia, 1998. 257 p.].
Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991. 416 с. [Trembovlya V.I., Finger E.D., Avdeyeva A.A. Heating Tests of Boilers. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991. 416 p.].
Arshadi M., Gref R., Geladi P., Dahlqvist S.-A., Lestander T. The Influence of Raw Material Characteristics on the Industrial Pelletizing Process and Pellet Quality. Fuel Processing Technology, 2008, vol. 89, iss. 12, pp. 1442–1447. DOI: 10.1016/j.fuproc.2008.07.001
Borchsenius H., Borgnes D. Black Carbon Emissions from the District Heating Sector in the Barents Region. NORSK ENERGI. Ministry of Environment of Norway. Project Name: RUS-11/0060. Norway, 2013. 56 p.
Flach B., Bendz K., Krautgartner R., Lieberz S. EU-27. Biofuels Annual Report No. NL3034. The Hague, USDA Foreign Agricultural Service, 2013. 34 p.
Gera D., Mathur M.P., Freeman M.C., Robinson A. Effect of Large Aspect Ratio of Biomass Particles on Carbon Burnout in a Utility Boiler. Energy & Fuels, 2002, vol. 16, iss. 6, pp. 1523–1532. DOI: 10.1021/ef0200931
Kruggel-Emden H., Wirtz S., Scherer V. An Experimental Investigation of Mixing of Wood Pellets on a Forward Acting Grate in Discontinuous Operation. Powder Technology, 2013, vol. 233, pp. 261–277. DOI: 10.1016/j.powtec.2012.08.029
Kurz D., Schnell U., Scheffknecht G. CFD Simulation of Wood Chip Combustion on a Grate Using an Euler-Euler Approach. Combustion Theory and Modelling, 2012, vol. 16, iss. 2, pp. 251–273. DOI: 10.1080/13647830.2011.610903
Magdziarz A., Wilk M., Straka R. Combustion Process of Torrefied Wood Biomass. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2017, vol. 127, pp. 1339–1349. DOI: 10.1007/s10973-016-5731-0
Petzold A., Ogren J.A., Fiebig M., Laj P., Li S.-M., Baltensperger U., Holzer-Popp T., Kinne S., Pappalardo G., Sugimoto N., Wehrli C., Wiedensohler A., Zhang X.-Y. Recommendations for Reporting “Black Carbon” Measurements. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013, vol. 13, iss. 16, pp. 8365–8379. DOI: 10.5194/acp-13-8365-2013
Poletto M., Zattera A.J., Forte M.M.C., Santana R.M.C. Thermal Decomposition of Wood: Influence of Wood Components and Cellulose Crystallite Size. Bioresource Technology, 2012, vol. 109, pp. 148–153. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.11.122
Porfiriev B.N., Roginko S.A. Energy on Renewable Sources: Prospects for the World and for Russia. Herald of the Russian Academy of Sciences, 2016, vol. 86, iss. 6, pp. 433–440. DOI: 10.1134/S101933161606006X
Scharler R., Obernberger I. Numerical Modelling of Biomass Grate Furnaces. Industrial Furnaces and Boilers: Proceedings of the 5th European Conference, April 11–14, 2000, Porto, Portugal. Porto, 2000. 17 p.
Simsek E., Brosch B., Wirtz S., Scherer V., Krüll F. Numerical Simulation of Grate Firing Systems Using a Coupled CFD/Discrete Element Method (DEM). Powder Technology, 2009, vol. 193, iss. 3, pp. 266–273. DOI: 10.1016/j.powtec.2009.03.011
