CC BY
25. Исаченко В.П. Теплопередача: Учебник для вузов/ В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Суко-мел- 4-е изд., перераб. и доп. - М.: "Энергоиздат", 1981. - 416 с.
6. Казанцев Е.Н Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд (доп. и переработанное) Казанцев Е.Н. М: Металлургия, 1975,-368С
7. Кириллов А.Н., Карасев Е.И.. Технология фанерного производства. Учебник для техникумов деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесная промышленность. 1974. - 312 с.
8. Любов В.К. Исследования характеристик древесно-шлифовальной пыли и отходов фанерного производства/ В.К. Любов, А.Ю. Рома-нов//Наука - Северному региону: сб. науч. тр. - Выпуск 67. - АГТУ, 2006. с. 209-213.
9. Любов В.К. Анализ схем сжигания отходов переработки древесной биомассы/ В.К. Любов, В.А. Дьячков, Р.А. Ефимов// Труды III-й Рос. науч. конф. по теплообмену. Т.1. Пленарные и общие проблемные доклады. Доклады на круглых столах. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - с. 228-231.
10. Любов В.К. Анализ эффективности сжигания древесных отходов в котлоагрегатах с наклонно переталкивающими колосниковыми ре-шётками/В.К. Любов, А.Ю. Романов// Труды IV-й Рос. нау. конф. по теплообмену. Т.Э. Радиационный
и сложный теплообмен. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - с. 73-76.
11. Любов В.К. Исследование эффективности и надёжности работы паровых котлов «Danstoker»/ В.К. Любов, А.Ю. Романов, Н.В. Любова// Автоматизация машиностроительного производства, технология и надёжность машин, приборов и оборудования: Материалы П-й Междун. научно-технич. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - т. II. с. 117-121.
12. Любов В.К. Исследования теплотехнических характеристик гидролизного лигнина/В.К. Любов, В.А. Дьячков, Д.З. Финкер и др.//Изв. Вузов. Лесн. Журнал. - 1994. - №2 -с. 135-137.
13. Любов В.К. Опыт сжигания высоковлажных отходов промышленности в топке безмельничного котлоагрегата/ В.К. Любов, Д.З. Финкер, И.Б. Кубышкин и др.// Тр. Ьй Рос. нау. конф. по теплообмену. Т.3. Теплообмен при хим. превращениях. -М.: Издательство МЭИ, 1994. - с. 163-168.
14. Любов В.К. Получение высококачественного топлива из отходов переработки биомассы/ В.К. Любов, В.А. Дьячков, Е.П. Ильин// Повышение эффективности энергетических систем и оборудования: сб. науч. тр. к 70-летию АГТУ. -Архангельск: АГТУ, 1999, - с. 97-100.
15. Любов В.К. Энергетическое использование биотоплива: учебное пособие/ В.К. Любов. - Архангельск. Изд-во АГТУ, 2007. - 156 с.
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВА В ТОПКАХ КОТЛОВ И ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ ЛЕСОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Виноградова М.С. Гаркавченко Э.В. Гневашева Т.В. Кузнецова В.П. Павлова А.И.
ФГБОУ ВО «Череповецкий государственный университет» (студенты-магистры кафедры теплоэнергетики и теплотехники)
DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGICAL SCHEME OF ENERGY USE OF BIOFUELS IN THE BOILER FIRES AND THERMAL GENERATORS OF FOREST PROCESSING ENTERPRISES
Vinogradova M.S. Garkavchenko E. V. Gnevasheva T. V. Kuznetsova V.P. Pavlova A.I. Cherepovets State University
(master students of the Department of Heat and Power Engineering and Heat Engineering)
Аннотация
В статье представлена разработка технологической схемы энергетического использования отходов (древесной коры) в топках котлов и теплогенераторов на лесоперерабатывающем предприятии, обеспечивающая безотходность переработки древесины. Abstract
The article presents the development of a technological scheme for the energy use of waste (wood bark) in boiler furnaces and heat generators at a timber processing enterprise, ensuring waste-free processing of wood. Ключевые слова: биотопливо, древесная кора Keywords: biofuel, wood bark
1.1 Исследование процесса нагрева поперечно продуваемого движущегося плотного слоя дробленой коры древесины.
В качестве математического аппарата используются решения Шумана и Анцелиуса. Они позволяют найти температурные поля в поперечно продуваемом движущемся слое в любой момент времени от начала продувки, а также находить изменение температуры отходящих газов в процессе тепловой обработки слоя. Решения справедливы для случаев, когда начальная температура газа на входе в слой постоянна во времени. В решении задачи Шумана (раздел 3) входят относительные температуры для материала вм и для газа вг, определяемые безразмерными числами высоте слоя У и времени 2:
У — к„к/(Сг - што);г — кут/[сы • (1 - [)],
где kv = {- + -
частиц сферической формы; - — объем-
ный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3К); F — 7,5(1— [)/ dм— площадь кусков неправильной формы; аР — обычный коэффициент теплообмена. Для числа Био не меньше 1,0 - коэффициент теплоотдачи может быть выполнен по формулам: Nu — 0,61 - Яе067 ( для Яе > 200);
Ыи — 0,106 -Ие ( для Re<200).
Здесь N4 — ар- йм/Аг; Ие — ^г0 - йм/уь; X, коэффициент теплопроводности газов; — коэффициент кинематической вязкости газа. Свойства газа рекомендуется выбирать для средней температуры системы.
^г0 — скорость газа на свободное сечение при нормальных условиях; сг — теплоемкость газа; см кажущаяся теплоёмкость материала с учетом затрат теплоты на испарение влаги (Таблица 1)
-) 1; А = 75 для кусков
Кау А(1-/)-Лм
произвольной формы; Лм — теплопроводность вещества частиц; [ — порозность слоя, dм — диаметр
Таблица 1
Расчет кажущейся теплоемкости высоковлажной коры древесины,
Составляющие коры и виды теплопоглоще-ния Расход на 1 м3 коры Средняя теплоемкость, кДж/кг • К Теплопоглощение, кДж/м3 Слагаемые кажущейся теплоемкости, кДж/м3 - К
Кора 67,5 1,560 105,3
Влага 382,5 4,2
Теплота на нагрев и ис- 983713,5 9837
парение влаги
Кажущаяся теплоемкость влажной коры 9942,4
d
Определить продолжительность сушки коры, см коры — 3331Дж/( кг - К). Коэффициент теплопро-характеризующейся насыпной массы 450 кг/м3. водности Лм — 0,211 Вт/( м - К). При средней тем-Влажность 85%. Температурный интервал сушки пературе газов Гг — 400°С их теплофизические находится в пределах 106-140 °С. Сушка осуществ- свойства характеризуются следующими величи-ляется в слое высотой 0,4м при просасывании про- нами: Лг — 0,057 Вт/( м - К) и у,. — 60,4 -10-6 м2/с. дуктов сгорания со скоростью шг0 — 0,3 м/с. С температурой на входе слой, равной 800 °С. Эквивалентный диаметр коры 0,0035м, теплоемкость
Число Рейнольдса:
0,3 - 0,0035 Xе — . — 1738 < 200
60,4 - 10-3
Число Нуссельта:
Nu — 0,106 - Яе — 0,106 -17,38 — 1,84.
Отсюда коэффициент теплоотдачи:
аР —Ий- аг/йм — 1,84 - 0,057/0,0035 — 30 Вт/( м - К).
Объемный коэффициент теплоотдачи:
ау — аг - 7,5 - (1 — [)/йм — 30 - 7,5 - (1 — 0,41)/0,0035 — 37932 Вт/( м - К).
Объемный коэффициент теплопередачи:
— + —— + 0,00352-)-1 — 36133,7 Вт/(м3К)
У А(1-/)-Ам 37932 75(1-0,41)-0,211 К '
Расчет чисел подобия У и 2:
Относительная высота слоя:
36133,7 - 0,4 У —-— 32,32.
1000 - 1,151 - 1,295 - 0,2
Относительная температура слоя:
— Снач _ 110 — 25_ вм — Т—^ — 800 — 25 — 0Л09,
Где £м — температура массы материала слоя, после тепловой обработки.
£г — температура газов на входе в слой.
£нач — начальная температура материала.
Относительное время 7 = 23.
Время сушки коры т:
¿•см^(1-/) 23 • 9942(1 — 0,41) • 1000
т =---=-= 1,037 час = 62,228 мин = 3733,68 сек.
^ 36133,7 • 3600
При толщине продуваемого слоя й = 0,3 м
У = 24,24; г = 16,5; т = 0,744 час = 44,64 мин = 2678,5 сек. При толщине продуваемого слоя й = 0,2 м
У = 16,16; 1 = 9; т = 0,4058 час = 24,35 мин = 1416 сек. При толщине продуваемого слоя й = 0,1 м
У = 8,08; 1 = 4,2; т = 0,189 час = 11,36 мин = 681,8 сек. При толщине продуваемого слоя й = 0,05 м
У = 4,04; 1 = 1,51; т = 0,068 час = 4,085 мин = 245 сек. При толщине продуваемого слоя й = 0,0035 м
У = 0,2828; 1 = 0,14; т = 0,0063 час = 0,378 мин = 22,7 сек. На рис.1.1 представлена взаимосвязь безразмерной высоты продуваемого слоя и безразмерного времени прогрева.
Рис.1.1 Взаимосвязь безразмерной высоты продуваемого слоя и безразмерного времени прогрева.
На рис.1.2 представлена взаимосвязь высоты при начальной температуре дымового газа 800°С и
гг
продуваемого слоя материала и времени прогрева относительной влажности коры = 85%
h,MM
10
20 30
40
50
60
70
т, мин
0
Рис.1.2. Взаимосвязь высоты продуваемого слоя материала и времени прогрева при начальной температуре газа 800 "Си относительной влажности коры Wrt_= 85%
Чтобы получить представление об изменении температуры газа во времени в месте выхода его из слоя, необходимо задаться несколькими значениями промежутков времени прогрева слоя, взятых, например, через 1 мин., и определить соответствующие значения чисел Z: для слоя толщиной й = 0,05 м:
Таким образом, например, для котельного агрегата ДКВР 6,5-13 расход сухой коры составляет 0,275 кг/с. При насыпной плотности 450 кг/с длина жалюзийного колосника составляет 1,6 м, ширина колосника равна 2,2 м. Расход сухой массы коры соответствует часовой производительности окорочного цеха.
т, сек 60 120 180 240
Z 0,369 0,739 1,108 1,478
0м 0,010 0,028 0,052 0,08
^м 36,6 46,7 65,3 87,75
С помощью этих данных для У = 4,04 и й = 0,05 м находим значение бм. Затем, зная температуру газа на входе в слой и начальную температуру материала, рассчитаем температуру газа на выходе из слоя в различные последовательные промежутки времени:
т, сек 60 120 180 240
Z 0,369 0,739 1,108 1,478
бг 0,026 0,075 0,12 0,18
tr 45,5 83,125 118 164,5
При известной продолжительности сушки удельную производительность сушилки можно определить по формуле:
0,9
и = й • рн — = 0,05 • 450 --=
н т 0,068
= 297,79 кг/(м2 •ч), Где й — высота слоя, м; рн — насыпная масса коры, кг/м3; т — время сушки, ч; — выход годной продукции (^г = 0,9).
Длина продувочного слоя 1,5725 м, ширина 2,159 м.
кг
Ссух = 0,275 —
сух с
0,275—
рн = 450 кг/м3;Су = "
450—
м
кт= 6,111 -10-4 —
Qi2 ГДж/м3 2,5
1.2 Технологическая схема энергетического использования биотоплива в топках котлов и теплогенераторов
Влажность коры древесины достигает 80 % и более. При высокой исходной влажности коры древесины снижение содержания в ней внешней влаги на 7.. 10% и повышение низшей теплоты сгорания на рабочую массу на 27..30% можно обеспечить за счет естественной подсушки на промежуточном складе ( при благоприятных метеорологических условиях).
Древесные отходы, сжигаемые в топках утили-зационно-энергетических котлов, относятся, как правило, к топливам с высокой степенью полидисперсности. Наибольшую неравномерность гранулометрического состава имеют топливные смеси, в состав которых входит недробленая кора и мелкофракционные отходы. Эффективное сжигание таких неоднородных смесей, особенно с повышенной влажностью, может быть организовано в топках с наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками с двух или трехступенчатой схемой сжигания.
Основные проблемы, возникающие при сжигании древесного топлива, связаны с его высокой влажностью (Рис.1.3, 1.4), которая значительно уменьшает процесс горения и снижает экономические показатели работы котлов в целом, а также с неоднородным гранулометрическим составом.
1,5
W2%
20
40
60
80
Рис.1.3. Влияние влажности на низшую теплотворную способность коры древесины.
2
0
Влажность оказывает значительно более сильное влияние, так как при повышении относительной влажности топлива до 70% теоретическая температура горения снижается более чем в два раза по сравнению с горением абсолютно сухого топлива. При сжигании абсолютно сухого древесного топлива с низкой зольностью КПД котлоагрегата приближается к эффективности работы котла на жидком топливе и в большинстве случаев превосходит КПД котлоагрегатов, сжигающих каменные угли.
При сжигании топлив, содержащих серу, во избежание низкотемпературной сернокислотной коррозии хвостовых поверхностей нагрева, температуру уходящих газов приходится поддерживать не ниже 150...250 °С. При сжигании же древесного топлива эта температура может быть снижена по-
чти до 80.. ,90°С, что позволяет существенно повысить КПД котлоагрегатов, даже при сжигании высоковлажных кородревесных отходов. Таким образом, одним из реальных путей экономии топлива на предприятиях лесопромышленного комплекса является повышение полноты использования теплоты уходящих газов путем установки дополнительных хвостовых поверхностей нагрева у котлоагрегатов, работающих на древесном топливе. Эффективность процесса сжигания древесного топлива определяется следующими факторами: влажностью топлива(Рис. 1.3, 1.4).теплотой сгорания (Рис 1.5); его зольностью; соответствием гранулометрического состава топлива, применяемому для его сжигания виду топочного процесса; соответствием конструкции котлоагрегата сжигаемому виду биотоплива (Рис. 1.6).
р нас 500
450
400
350
300
250
200
150
100
кг/м3
10
20
30
40
50
60
70
80
w2,%
0
Рис.1.4. Влияние влажности на насыщенную плотность коры древесины.
Конкретная теплотехническая схема энергетического использования древесной коры в топках котлов и теплогенераторов лесоперерабатывающего предприятия подбирается с учетом возможностей предприятия. Примерная технологическая схема сжигания древесной коры показана на рис. 1.6 Кора высокой влажности, подаваемая из окорочного цеха 1, проходит магнитный сепаратор 2. В сепараторе из нее извлекаются металлические частицы. После этого она подается в корорубку 3, где измельчается и направляется в бункерное устройство 4 для накопления и буферного хранения сырой измельченной коры. Из бункерного устройства 4 кора транспортируется в сушильную установку 5. Сушильная установка высушивает кору, используя
теплоту дымовых газов, подаваемых в сушилку из борова 9 котельной 8 вентилятором 11. Подсушенная кора из сушилки 5 подается в топку котельной установки. По конвейеру 6 влажная кора также может подаваться в топку котельной установки для ее сжигания. Топочное устройство содержит сушилку 12, совмещенную с топкой котла. Высокотемпературные газы из верха топочной камеры вентилятором 7 продуваются через слой топлива в сушилке, и затем выбрасывается в атмосферу. Отработанные газы после сушилки 5 через боров 9 и дымовую трубу 10 выбрасываются в атмосферу.
Важнейшей частью теплотехнической схемы подготовки коры к сжиганию является сушильная установка 12 совмещенная с топкой котлоагрегата.
Qir ,кДж/кг 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Wr,%
0 20 40 60 80 100
Рис. 1.5. Взаимосвязь низшей теплоты сгорания и относительной влажности.
Рис.1.6. Теплотехническая схема сжигания древесной коры.
1-Окорочный цех, 2-магнитный сепаратор, 3-корорубка, 4-бункерное устройство, 5- сушильная установка, 6-конвейер, 7-вентилятор, 8-котельная, 9-боров, 9-дымовая труба, 10- вентилятор, 11-су-шилка
Список литературы
1. Головков С.И. Энергетическое использование древесных отходов/ С.И. Головков, И.Ф. Ко-перин, В.И. Найдёнов. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 224 с.
2. Домрачев Д.А., Синицын Н.Н. Исследование динамики прогрева на экспериментальной установке - Международная научно-практическая конференция «Современные материалы, техника и технология». - Курск: под ред. Горохов А.А. Юго-Западный государственный университет, 2011 - 368 с.
3. Дьячков В.А. Повышение эффективности энергетического использования древесных отходов и гидролизного лигнина совершенствованием топочного процесса котлоагрегата: дис. канд. техн. наук. 11.00.11/ В.А. Дьячков - Архангельск, 1998, -241 с.
4. Зобин Б.Ф., Казяев М.Д., Лисиенко В.Г,, Телегин А,С., Ярошенко Ю.Г. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебное пособие для студентов вузов. Изд.2-ое. М.: Металлургия, 1975.-360С.
5. Исаченко В.П. Теплопередача: Учебник для вузов/ В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Суко-мел- 4-е изд., перераб. и доп. - М.: "Энергоиздат", 1981. - 416 с.
6. Казанцев Е.Н Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд (доп. и переработанное) Казанцев Е.Н. М: Металлургия, 1975,-368С
7. Кириллов А.Н., Карасев Е.И.. Технология фанерного производства. Учебник для техникумов деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесная промышленность. 1974. - 312 с.
8. Любов В.К. Исследования характеристик древесно-шлифовальной пыли и отходов фанерного производства/ В.К. Любов, А.Ю. Рома-нов//Наука - Северному региону: сб. науч. тр. - Выпуск 67. - АГТУ, 2006. с. 209-213.
9. Любов В.К. Анализ схем сжигания отходов переработки древесной биомассы/ В.К. Любов, В.А. Дьячков, Р.А. Ефимов// Труды III-й Рос. науч. конф. по теплообмену. Т.1. Пленарные и общие проблемные доклады. Доклады на круглых столах. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - с. 228-231.
10. Любов В.К. Анализ эффективности сжигания древесных отходов в котлоагрегатах с наклонно переталкивающими колосниковыми ре-шётками/В.К. Любов, А.Ю. Романов// Труды IV-й Рос. нау. конф. по теплообмену. Т.Э. Радиационный и сложный теплообмен. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - с. 73-76.
11. Любов В.К. Исследование эффективности и надёжности работы паровых котлов «Danstoker»/ В.К. Любов, А.Ю. Романов, Н.В. Любова// Автоматизация машиностроительного производства, технология и надёжность машин, приборов и оборудования: Материалы II-й Междун. научно-технич. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - т. II. с. 117-121.
12. Любов В.К. Исследования теплотехнических характеристик гидролизного лигнина/В.К. Любов, В.А. Дьячков, Д.З. Финкер и др.//Изв. Вузов. Лесн. Журнал. - 1994. - №2 -с. 135-137.
13. Любов В.К. Опыт сжигания высоковлажных отходов промышленности в топке безмельничного котлоагрегата/ В.К. Любов, Д.З. Финкер, И.Б. Кубышкин и др.// Тр. I-й Рос. нау. конф. по теплообмену. Т.3. Теплообмен при хим. превращениях. -М.: Издательство МЭИ, 1994. - с. 163-168.
14. Любов В.К. Получение высококачественного топлива из отходов переработки биомассы/ В.К. Любов, В.А. Дьячков, Е.П. Ильин// Повышение эффективности энергетических систем и оборудования: сб. науч. тр. к 70-летию АГТУ. -Архангельск: АГТУ, 1999, - с. 97-100.
15. Любов В.К. Энергетическое использование биотоплива: учебное пособие/ В.К. Любов. - Архангельск. Изд-во АГТУ, 2007. - 156 с.
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ТОРРЕФИКАЦИИ
Левин А.Б.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук
Малинин В.Г.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук,
Хроменко А.В.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук,
Афанасьев Г.Н.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищинский филиал, доцент, кандидат технических наук
CHANGING THE ENERGY PROPERTIES OF WOOD AT TORREFICATION
Levin A.B.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD Malinin V.G.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD Khromenko A. V.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD Afanasyev G.N.
Bauman Moscow State Technical University, Mytischi Branch,
associate Professor, PhD
Аннотация
Предложена зависимость для расчета изменения элементного состава вещества древесины при термической деструкции в инертной среде в форме уравнения линии в координатах диаграммы Ван Креве-лена. Предложены зависимости высшей теплоты сгорания, выхода летучих и относительной массы твердого остатка от его элементного состава. Показано, что в диапазоне от 0,6 до 0,5 атомного отношения О/С
