Определение условий и характеристик зажигания частиц влажной древесины для повышения ресурсоэффективности теплоэнергетики

Abstract

Анализ прогнозов специалистов показывает, что рост потребления электроэнергии в мире до 2030 г. составит 2,4 %. На сегодняшний день вырабатываемая на тепловых электрических станциях энергия составляет 2/3 от общей вырабатываемой всеми источниками. Большинство этих ТЭС в качестве топлива используют уголь. Доля ТЭС, использующих это топливо, - 40 %. При сжигании угля происходит интенсивное выделение загрязняющих веществ, таких как NOx и SOx, основные последствия которого: ухудшение состояния здоровья человека, смог, кислотные дожди, парниковый эффект и пыление. Одним из новых инновационных решений экологических проблем угольной энергетики может стать сжигание биомассы (отходы лесопиления и лесного хозяйства). По оценкам специалистов объем запасов древесины в России превышает 82·109 м3 и составляет 25 % от мировых запасов. Отходы ее переработки составляют более 30·106 м3 в год. Интерес к использованию древесной биомассы также обуславливается постоянно возрастающими требованиями по экологичности объектов теплоэнергетики. Цель: экспериментальное установление зависимостей условий (минимальных температур) и характеристик (времен задержки) зажигания от вида древесной биомассы и её влагосодержания на примере четырех достаточно доступных и широко распространенных видов древесины (наиболее калорийной и поэтому перспективной для теплоэнергетики). Объект: сухая и насыщенная влагой древесина четырех видов (кедр, лиственница, сосна и осина). Экспериментальные исследования проведены для древесных частиц с относительной влажностью: 5, 30 и 45 %. Метод: экспериментальное определение с использованием высокоскоростной видеокамеры Photron FASTCAM СА4 временных характеристик процессов зажигания частиц древесины в условиях, соответствующих по интенсивности нагрева камерам сгорания паровых и водогрейных котлов; регистрация температуры среды с использованием хромель-алюмелевых термопар. Результаты. Приведены выполненные с целью обоснования ресурсуэффективности использования в теплоэнергетике древесной биомассы (как базового топлива паровых и водогрейных котлов) результаты экспериментальных исследований процессов зажигания сухих и влажных частиц четырех видов древесной биомассы в среде нагретого до высоких температур воздуха. Установлено существенное влияние вида древесины на условия и характеристики зажигания её одиночных частиц. Также установлено значительное влияние влажности на времена задержки зажигания частиц исследованных видов биомассы. Такие времена, соответствующие древесине в естественном состоянии, в 3-4 раза превышают во всем (достаточно широком) диапазоне изменения значимых для практики температур времена задержки зажигания сухих частиц древесины. Установленные в проведенных экспериментах закономерности иллюстрируют перспективность использования в теплоэнергетике древесной биомассы как основного топлива или компоненты древесно-угольной смеси.

Analysis of experts' forecasts shows that the growth in global electricity consumption until 2030 will be 2,4 %. Today, the energy generated at thermal power plants is 2/3 of the total energy generated by all sources. For most thermal power plants, coal is the main fuel. The share of thermal power plants burning coal reaches 40 %. Burning coal leads to intense emissions of nitrogen oxides and sulfur, the main consequences of which are deterioration in human health, smog and acid rain. One of the new solutions to the environmental problems of the energy industry is the combustion of biomass (sawmill and forestry waste). According to experts, the volume of timber reserves in Russia exceeds 82·109 m3 and accounts for 25 % of the world reserves. Waste from its processing is more than 30·106 m3 per year. Environmental requirements for heat and power facilities are constantly growing. This determines the interest in biomass use. The main aim of the research is to determine experimentally the dependences of ignition delay times during high-temperature heating of woody biomass of different moisture content using the example of four fairly accessible and widespread wood species (the most highcalorie and, therefore, promising) for heat power engineering. Object: dry and moisture-saturated wood of four types (cedar, larch, pine and aspen). Experimental studies were carried out for wood particles with relative humidity: 5, 30 and 45 %. Methods: experimental determination of the ignition temporal characteristics of wood particles under conditions corresponding to the intensity of heating to the combustion chambers of steam and hot water boilers using a high-speed video camera Photron FASTCAM CA4; registration of medium temperature using chromel-alumel thermocouples. Results. The paper introduces the results of the experimental studies of ignition of dry and wet particles of four type of woody biomass in the environment of air heated to high temperatures in order to substantiate the resource efficiency of using woody biomass (as the base fuel of steam and hot water boilers). A significant effect of the wood type on the ignition conditions and characteristics of its single particles was established. A significant influence of humidity on the ignition delay times of particles of the studied types of biomass was established as well. Such times, corresponding to wood in its natural state, are 3-4 times higher in the entire (rather wide) range of change of temperatures significant for practice, the ignition delay times of dry wood particles. The regularities established in the conducted experiments illustrate the prospects of using woody biomass in heat power engineering as the main fuel or components of a charcoal mixture.