Зажигание частиц древесной биомассы в условиях СВЧ воздействия при высокотемпературном радиационно-конвективом нагреве

Abstract

Актуальность. Несмотря на активное развитие технологий производства электрической энергии по средствам ветроэлектрогенераторов и солнечных батарей, к 2100 г. все равно большая часть энергии будет вырабатываться на тепловых электрических станциях, сжигающих органическое топливо. Как правило, тепловые электрические станции в качестве топлива используют уголь (около 40 %). Однако стоит отметить, что в процессе сжигании угля в топках паровых и водогрейных котлов интенсивно формируются токсичные оксиды серы и азота. В связи с этим многими учёными мира, работающими в области энергетики, ведутся работы по созданию новых инновационных технологий по эколго- и энергоэффективному производству тепловой и электрической энергии. К последним относятся технологии сжигания древесной биомассы в топках паровых и водогрейных котлов тепловых электрических станций. Использование древесной биомассы позволяет существенно снизить экологическую нагрузку тепловых электрических станций на атмосферу. Однако до настоящего времени еще не создано технологий, позволяющих сжигать древесину с высокой энергоэффективностью. Последнее обусловлено высокой влагонасыщенностью древесной биомассы в ее исходном состоянии. Цель: экспериментальное установление основных этапов и выделение комплекса физико-химических процессов, протекающих совместно в период воспламенения частиц древесной биомассы в условиях СВЧ воздействия при высокотемпературном радиационно-конвективном нагреве. Объект: сухая и насыщенная влагой древесина двух видов (сосна и кедр). Относительная влажность древесины, из которой выполнены частицы (с характерным размером 4 мм), варьировалась от 6 (относительно сухая биомасса) до 42 % (влагонасыщенная древесина). Метод. Для установления основных характеристик процесса воспламенения частицы древесины в условиях СВЧ воздействия при высокотемпературном радиационно-конвективном нагреве разработан специальный экспериментальный стенд, представляющий реакционную трубу с теплоизолированными радиопрозрачными стенками, сквозь которую продувался высокотемпературный окислитель (кислород воздуха). Частица древесины устанавливалась на оси трубы так, чтобы попадать в фокус излучателя. Все процессы регистрировались высокоскоростной видеокамерой. Результаты. Приведены результаты экспериментальных исследований процессов зажигания сухих и влажных частиц древесной биомассы в среде нагретого до высоких температур воздуха в условиях радиационно-конвективного и радиационно-конвективно-микровoлнового нагревов, выполненных с целью обоснования ресурсуэффективности использования в теплоэнергетике древесной биомассы (как базового топлива паровых и водогрейных котлов). Установлено существенное влияние вида древесины на времена задержки зажигания (tign). Также показано достаточно значимое влияние условий нагрева на процессы воспламенения. Так, микроволновое воздействие приводит к ускорению процесса зажигания частиц древесной биомассы. При этом показано, что при воспламенении влажных частиц древесины эффект от воздействия СВЧ-излучения (ускорения зажигания) более значителен по сравнению с процессом зажигания сухих древесных частиц. Также установлено, что влажность (φ) древесной биомассы существенно влияет на значения времен задержки зажигания (увеличение φ приводит к росту значения tign). Установленные в проведенных экспериментах закономерности иллюстрируют перспективности использования в теплоэнергетике древесной биомассы (в том числе и влагонасыщенной) как основного топлива.

The relevance. Despite the active development of technologies for the production of electrical energy by means of wind power generators and solar batteries, by 2100, most of the energy will still be generated at thermal power plants that burn fossil fuels. As a rule, thermal power plants use coal as fuel (about 40 %). However, it should be noted that during the combustion of coal in the furnaces of steam and hot water boilers, toxic oxides of sulfur and nitrogen are intensively formed. In this regard, many scientists of the world working in the field of energy are working to create new innovative technologies for the eco- and energy-efficient production of heat and electricity. The latter include technologies for burning woody biomass in the furnaces of steam and hot water boilers of thermal power plants. The use of woody biomass can significantly reduce the environmental impact of thermal power plants on the atmosphere. However, no technology has yet been developed to burn wood with high energy efficiency. The latter is due to the high moisture saturation of woody biomass in its initial state. The main aim: experimental determination of the main stages and identification of a complex of physicochemical processes occurring together during the ignition of woody biomass particles under microwave exposure under high-temperature radiation-convective heating. Object: dry and moisture-saturated wood of two types (pine and cedar). The relative humidity of the wood from which the particles were made (with a characteristic size of 4 mm) varied from 6 % (relatively dry biomass) to 42 % (moisture-saturated wood). Method. To establish the main characteristics of wood particle ignition under microwave exposure under high-temperature radiationconvective heating, a special experimental stand was developed, representing a reaction tube with heat-insulated radio-transparent walls through which a high-temperature oxidizer (air oxygen) was blown. The wood particle was mounted on the axis of the pipe so as to fall into the focus of the emitter. All processes were recorded by a high-speed video camera. Results. The paper introduces the results of experimental studies of ignition of dry and wet particles of woody biomass in the environment of air heated to high temperatures under conditions of radiation-convective and radiation-convective microwave heating. A significant influence of the type of wood on the ignition delay times (tign) was established. Rather significant effect of heating conditions on ignition is also shown, since microwave exposure leads to an acceleration of ignition of woody biomass particles. It was shown that during the ignition of wet wood particles, the effect of exposure to microwave radiation (acceleration of ignition) is more significant compared to ignition of dry wood particles. It was also found that the moisture content (φ) of woody biomass significantly affects the ignition delay times (increase in φ leads to growth in the tign value). The regularities established in the conducted experiments illustrate the prospects of using woody biomass (including moisture-saturated) in thermal power engineering as the main fuel.