Влияние плотности засыпки древесной биомассы на характеристики её сушки в условиях высокотемпературного нагрева

Abstract

Актуальность. Анализ прогнозов специалистов показывает, что, несмотря на активные попытки многих государств внедрить возобновляемые источники энергии в национальные энергосистемы к 2040 г., основная доля производства тепловой и электрической энергии все равно будет приходится на тепловые электрические станции, сжигающие уголь. По этой причине на настоящее время ведутся активные разработки новых технологий сжигания топлива, которые позволят полностью (или хотя бы значительно) сократить использование угля на тепловых электрических станциях (ТЭС). Одним из самых перспективных направлений является сжигание древесной биомассы в топочных устройствах котельных агрегатов. Но полномасштабное внедрение биомассы в качестве топлива на ТЭС тормозится неизученностью процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажной древесины. Это обусловлено тем, что, как правило, свежедобытая древесина значительно насыщенна влагой. Сжигание такой высокообводненной биомассы в топочных устройствах неэффективно. При большой исходной влажности много теплоты будет затрачиваться на испарение и, соответственно, коэффициент полезного действия цикла парогенерации может снижаться. Поэтому исходное влагонасыщенное сырье необходимо предварительно подсушивать. В связи с этим одной из открытых проблем энергетики в настоящее время является неизученность основных закономерностей процессов тепло- и массопереноса, протекающих в слое мелкодиспергированной влажной древесной биомассы в период её сушки. Последнее необходимо для разработки фундаментальных основ проведения опытно-конструкторских работ по обоснованию конструктивных характеристик современных установок термической подготовки биомассы к сжиганию. При этом, как правило, сушку больших объемов древесины проводят в крупногабаритном оборудовании бункерного типа. В таких бункерах высота слоя биомассы может достигать несколько десятков метров (до 20 м). Очевидно, что в этих условиях градиенты плотности древесины (за счет слеживаемости) также будут значительны. При этом достоверно установлено, что на характеристики влагоудаления из слоя влажной древесной биомассы оказывает влияние не только температура внешней среды, но и фильтрационные характеристики (плотность, размер пор, проницаемость, пористость) высушиваемого материала. Но до настоящего времени в мировой научной периодике нет публикаций с описанием результатов оценки влияния плотности засыпки влажной мелкодиспергированной древесины на характеристики и условия её дегидратации. Цель: анализ влияния плотности засыпки слоя влажной древесной биомассы на процессы тепломассопереноса в условиях высокотемпературного нагрева. Объект: влажная древесная биомасса (сосновые опилки). Экспериментальные исследования проведены при следующих значениях степени уплотнения биомассы [gamma]=1; [gamma]=1,5; [gamma]=2 (где [gamma]=r/r0; r - плотность спрессованной биомассы; ρ0 - плотность биомассы без уплотнения). Метод: экспериментальные исследования скорости влагоудаления и времени дегидратации влажной древесной биомассы при высокотемпературном нагреве (Tg=333-393 K) в сушильной камере СНОЛ-3.5-М2У42. Результаты. Приведены результаты экспериментальных исследований процессов влагоудаления из слоя влажной древесной биомассы (на основе типичных отходов деревообработки - опилки) при интенсивном радиационно-конвективном нагреве. Проанализировано влияние насыпной плотности (r) слоя древесины на характеристики процесса влагоудаления. Установлено, что увеличение степени уплотнения (g) навески биомассы приводит к существенному изменению динамики влагоудаления (увеличение γ с 1 до 2 приводит к двукратному росту времени сушки td). При этом показано, что такое увеличение td характерно для всех исследованных температур окружающей среды Tg. Также по результатам экспериментов установлены характерные значения массовой скорости влагоудаления (Weva) в зависимости от времени при различных степенях уплотнения слоя биомассы. Показано, что в условиях относительно низких температур внешней среды функция Weva(t) имеет волновой характер. Сформулирована гипотеза, описывающая такую зависимость значений Weva от времени. Результаты проведенных исследований существенно расширяют современные представления о процессах сушки мелкодиспергированной древесной биомассы в условиях интенсивного радиационно-конвективного нагрева.

Relevance. The analysis of the forecasts of specialists shows that despite the active attempts of many states to introduce renewable energy sources into national energy systems by 2040, the bulk of the production of thermal and electric energy will still fall on thermal power plants that burn coal. For this reason, at present, active development of new technologies for fuel combustion is underway, which will completely (or at least significantly) reduce the use of coal at thermal power plants. One of the most promising areas is the combustion of woody biomass in the furnaces of boiler units. But the full-scale introduction of biomass as a fuel at thermal power plants is hampered by the lack of knowledge of heat and mass transfer that occur during wet wood drying. This is due to the fact that, as a rule, freshly harvested wood is significantly saturated with moisture. Combustion of such a highly watered biomass in combustion devices is ineffective. With a high initial humidity, a lot of heat will be spent on evaporation and, accordingly, the efficiency of the steam generation cycle may decrease. Therefore, the initial moisture-saturated raw material must be pre-dried. In this regard, one of the open problems of the energy sector at the present time is the lack of study of the main regularities of heat and mass transfer, occurring in a layer of finely dispersed moist woody biomass during its drying. The latter is necessary for development of the fundamental foundations for conducting experimental design work to substantiate the design characteristics of modern installations for biomass thermal preparation for combustion. In this case, as a rule, drying of large volumes of wood is carried out in large-sized equipment of the bunker type. In such bunkers, the height of the biomass layer can reach several tens of meters (up to 20 m). Obviously, under these conditions, wood density gradients (due to caking) will also be significant. It has been reliably established that the characteristics of moisture removal from a layer of moist woody biomass are influenced not only by the ambient temperature, but also by the filtration characteristics (density, pore size, permeability, porosity) of the dried material. But until now in the world scientific periodicals there are no publications describing the results of assessing the influence of moist finely dispersed wood filling density on the characteristics and conditions of its dehydration. The aim: experimental studies of the influence of moist woody biomass layer backfill density on the integral characteristics of its drying. Object: wet woody biomass (pine sawdust). Experimental studies were carried out at the following values of the degree of compaction of biomass g: 1; 1.5; 2 (where g=r/r0). Method: experimental studies of moisture removal rate and the time of moist woody biomass dehydration at high-temperature heating (Tg=333-393 K) in the SNOL-3.5-M2U42 drying chamber. Results.The paper introduces the results of experimental studies of moisture removal from a layer of moist woody biomass (based on typical woodworking waste - sawdust) under intense radiation-convective heating. The authors have analysed the influence of the wood layer bulk density (r) on the dehumidification characteristics. It was found that the increase in the backfill (r) density leads to a significant change in the dynamics of moisture removal (an increase in γ from 1 to 2 leads to a twofold increase in the drying time td). It was shown that such increase in td is characteristic for all values of Tg. Also, according to the results of experiments, the characteristic values of the mass rate of moisture removal (Weva) were established depending on time at various degrees of compaction of the biomass layer. It is shown that under conditions of relatively low ambient temperatures, the function Weva(t) changes non-monotonically, but has a wave character. A hypothesis is formulated describing such a dependence of the Weva values on time. The results of the studies carried out significantly expand modern understanding of drying finely dispersed woody biomass under conditions of intense radiation-convective heating.