Impact of woody biomass in the composition of coal-water suspensions on their transportation and combustion

Full Text

Введение

Наиболее распространенным топливом для тепловых электрических станций (ТЭС) остается уголь [1]. Его сжигание сопровождается выбросами, активно загрязняющими окружающую среду (твердые частицы, оксиды азота и серы, диоксид углерода и др. [2]).

Перспективной технологией сжигания угля считается сжигание последнего в составе органо-водоугольных, био-водоугольных и водоугольных суспензий (ВУС) [3–6]. Установлено, что при сжигании последних, по сравнению со сжиганием угольного топлива существенно снижаются выбросы антропогенных газов, таких как оксиды азота и серы [7–9]. Также было показано, что добавление древесной биомассы в состав ВУС приводит к снижению выбросов оксидов углерода, азота и серы по сравнению с ВУС без добавок. Отходы лесозаготовительных предприятий (опилки, крона, кора и др.), не имеющие ценности, практически не перерабатываются и хранятся в отвалах на открытой местности [10]. Последнее приводит к выделению в окружающую среду парниковых газов (например, метана) вследствие гниения отходов. Кроме того, такое хранение нередко приводит к возникновению пожаров. Использование отходов лесопереработки и лесопиления в составе ВУС окажет благоприятное воздействие на окружающую среду и снизит опасность возникновения пожаров вблизи лесоперерабатывающих предприятий. Стоимость таких добавок в ВУС будет определяться затратами на сбор и транспортировку.

Замещение части угольного топлива растительной компонентой ведет к снижению теплоты сгорания такого топлива. Поэтому концентрация ускоряющей процесс зажигания добавки (древесной биомассы) [11] должна быть такой, чтобы обеспечить необходимое снижение продолжительности термической подготовки топлива, но в то же время не оказывала бы существенного влияния на снижение энергетических характеристик высоко обводнённого топлива. В [10] показано, что добавление биомассы в состав ВУС до 6 % ведет к снижению теплотворной способности менее чем на 5 %, но приводит к снижению периода термической подготовки на 20–30 %.

В ВУС содержание воды варьируется в диапазоне от 40 до 60 % [12]. Высокая обводненность топлива приводит к существенному увеличению продолжительности индукционного периода. Для крупных капель (характерный размер ≈3 мм) задержка зажигания может составлять несколько десятков секунд при относительно низких температурах окислительной среды [13]. Традиционные способы сжигания ВУС связаны с рядом определенных технологических трудностей. Требуется существенная модернизация системы топливоподачи (перевод с твердого топлива на жидкое), осложняется работа топочно-горелочного комплекса (в связи с наличием достаточного большого объема воды в топливе существенно возрастает задержка зажигания таких топлив (может составлять несколько десятков секунд)). В работе [14] показано, что при сжигании ВУС в котле ТП-35 длина факела увеличивалась в 3–4 раза, по сравнению со сжиганием угольной пыли. Продолжительный процесс воспламенения приводит к уменьшению температуры факела на 200–300 К и ухудшению выгорания угольных частиц ВУТ (степень выгорания была ниже 83 % [14]), повышению температуры дымовых газов (на 2–5 % выше, чем при горении угля) и совокупному увеличению тепловых потерь [14].

Использование ВУС в настоящее время сопровождается высокими эксплуатационными затратами в связи с чем встречается крайне редко. На сегодняшний день рядом исследователей предложены различные способы сжигания ВУС, например, в циклонных топках. Длительное нахождение капли топлива в топочном пространстве котла позволяет обеспечить ее полное сгорание. Другим способом, позволяющим эффективно сжигать ВУС, является их подсветка более реакционным топливом (например, газом или дизельным топливом). К недостаткам данного метода можно отнести нестабильность горения инициируемого топлива, а также значительно более сложную систему управления котельным агрегатом [14]. Перспективным методом, позволяющим интенсифицировать процесс зажигания ВУС без существенной модернизации топочного пространства, можно считать добавление микроволнового нагрева, воздействующего на воду в составе ВУС. Можно предположить, что добавление СВЧ-излучения [15] будет способствовать интенсификации процесса зажигания ВУС. Стоит отметить, что на сегодняшний день недостаточно исследований, посвященных данной тематике.

Одним из преимуществ ВУС является то, что ее можно транспортировать трубопроводным транспортом. Динамическая вязкость (μ) ВУС определяет возможность ее перекачки по трубопроводам и оказывает существенное влияние на конструктивные характеристики систем топливоподачи и распыления топлива в топочных пространствах котельных агрегатов.

Введение в состав ВУС древесной биомассы может оказать влияние на вязкость жидкого топлива. На сегодняшний день не так много работ, посвященных вопросам влияния вида и концентрации древесной биомассы в составе ВУС на реологические характеристики топлива. В этой связи является актуальным определение реологических характеристик исследуемого композитного топлива.

Целью данной работы является определение влияния концентрации и вида древесной добавки в составе ВУС на реологические характеристики капель топлива, а также возможности снижения продолжительности термической подготовки топлива при воздействии микроволнового нагрева на топливо.

Методика подготовки топлива

В качестве основного компонента топлива использовался типичный энергетический уголь марки Д (длиннопламенный, Листвянского месторождения Новосибирской обл.). В качестве ускоряющей процесс зажигания добавки применялись отходы лесопереработки и лесопиления (опилки сосны и хвоя сосны). На территории Томской области, по оценкам специалистов, запасы древесины (сосны) оцениваются в 28,8 % от всех лесопокрытых территорий. Таким образом, запасы растительной компоненты, которая потенциально может использоваться для интенсификации процесса зажигания водоугольного топлива, весьма велики.

Для приготовления ВУС отдельно подготавливались уголь и биомасса (опилки и хвоя сосны).

Подготовка угля необходимой фракции проходила следующим образом:

• кусковой уголь размером 10–15 см измельчался в щековой дробилке до размеров 2–3 мм;
• получившаяся фракция поступала в шаровую мельницу, где дробилась до пылевидного состояния;
• далее угольная пыль направлялась в вибросито, где просеивалась через ячейку размером 90 мкм.

Просев использовался для приготовления суспензий, а угольная пыль, размер которой превышал 90 мкм, направлялась на повторное измельчение.

Древесная биомасса также подготавливалась в несколько стадий:

• на начальном этапе осуществлялась сушка массы в сушильном шкафу СУ 32 при температуре 376 К в течение 2 часов, в конце процесса сушки влажность древесной биомассы составляла ≈5 %;
• следующим технологическим этапом было измельчение биомассы и ее просев через сито с ячейкой 90 мкм [16].

После подготовки компонентов топлива осуществлялось их смешение в гомогенизаторе с заданными массовыми концентрациями, приведенными в таблице. Измерение массы компонентов проводилось при помощи весов aczet CY-1003 [17] с точностью измерений 0,001 г.

 

Таблица. Состав исследуемых топлив

Table. Composition of the studied fuels

Уголь Д, % Long-flame coal, %	Тип биомассы Biomass type	Содержание биомассы, % Biomass concentration, %	Вода, % Water, %
50	–	–	50
48	Опилки сосны Pine sawdust	2
46		4
44		6
48	Хвоя сосны Pine needles	2
46		4
44		6

 

Методики проведения экспериментов

Экспериментальные исследования проводились на нескольких экспериментальных стендах. Для определения динамической вязкости ВУС использовался экспериментальный стенд, приведенный на рис. 1. Исследования проводились в соответствии с методикой [18].

 

Рис. 1. Экспериментальная установка по измерению динамической вязкости ВУС (1 – ротационный вискозиметр; 2 – шпиндель; 3 – цилиндрический стеклянный сосуд с исследуемой суспензией; 4 – Био-ВУС)

Fig. 1. Experimental setup for measuring the dynamic viscosity of a coal-water suspension (CWS) (1 – rotational viscometer; 2 – spindle; 3 – cylindrical glass vessel with the suspension under study; 4 – Bio-CWS)

 

Определение динамической вязкости осуществлялось на вискозиметре Brookfield RVDV-II + Pro. Шпиндель вискозиметра погружали в прозрачную стеклянную емкость, заполненную ВУС. Исследования проводили при различных скоростях сдвига.

На втором этапе исследований определялась одна из основных характеристик любого топлива – время термической подготовки (задержка зажигания) (t_ign). На рис. 2 представлен экспериментальный стенд по определению временных характеристик зажигания ВУС в условиях сложного радиационно-конвективного микроволнового нагрева. Окислитель (кислород воздуха) нагревался в высокотемпературной печи в диапазоне от 673 до 783 К и далее подавался в камеру сгорания – 3 компрессором – 1. Капля топлива – 5 вводилась в нагретую до высоких температур окислительную среду при помощи подвижного механизма – 4. В верхней части камеры сгорания установлены четыре магнетрона – 6 таким образом, чтобы их воздействие было направлено на центральную часть камеры сгорания, куда вводилась капля топлива. Процессы термической подготовки и зажигания регистрировала высокоскоростная видеокамера – 7. Временем задержки зажигания (t_ign) считался период от начала теплового воздействия (попадание частицы в фокус камеры) до первых очагов горения (появления светящихся областей) исследуемого топлива.

При планировании и проведении экспериментальных исследований особое внимание уделялось учету различного рода помех и ошибок. В частности, для каждого состава топлива проводили серию не менее чем из n=10 опытов.

 

Рис. 2. Схема экспериментального стенда по определению временных характеристик: 1 – компрессор; 2 – высокотемпературная печь; 3 – камера сгорания; 4 – держатель; 5 – капля ВУС; 6 – магнетроны (4 шт); 7 – высокоскоростная видеокамера

Fig. 2. Scheme of the experimental stand for determining time characteristics: 1 – compressor; 2 – high-temperature furnace; 3 – combustion chamber; 4 – holder; 5 – CWS drop; 6 – magnetrons (4 pcs.); 7 – high-speed video camera

 

Установлено, что погрешность серии измерений задержки зажигания при доверительной вероятности α=0,95 не превышала 13,1 %, для динамической вязкости погрешность составляла 7,4 % при доверительной вероятности 0,95. Методика обработки экспериментальных исследований подробно описана в [19].

Результаты экспериментальных исследований

На рис. 3 приведены значения динамической вязкости при различных скоростях сдвига исследуемых топлив.

 

Рис. 3. Зависимости динамической вязкости ВУС от скорости сдвига при различных массовых концентрациях биомассы в составе топлива (a – хвоя сосны, b – опилки сосны)

Fig. 3. Dependences of the dynamic viscosity of CWS on shear rates at various mass concentrations of biomass in the fuel composition (a – pine needles, b – pine sawdust)

 

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 3, a, показал, что добавление даже 2 % хвои сосны приводит к увеличению вязкости практически в два раза по сравнению с водоугольным топливом без введения в структуру топлива биомассы. Добавление 4 % (по массе) биомассы в ВУС приводит к увеличению вязкости в 3,2 раза, при 6 % – почти в 4 раза. На рис. 3, b приведены зависимости динамической вязкости при разных скоростях сдвига для ВУС и Био-ВУС с добавлением опилок сосны.

Доказано [18], что при величине динамической вязкости менее 1200 Па·с (при скорости сдвига 100 об/мин) суспензию можно распылять в топочное пространство котельного агрегата с минимальной вероятностью закупоривания топливных форсунок и минимизировать затраты энергии на прокачку топлива по трубопроводам. На рис. 4 приведены значения динамической вязкости при скорости сдвига 100 об/мин.

 

Рис. 4. Значение динамической вязкости при скорости сдвига 100 об/мин для составов ВУС: 1 – 50 % вода/50% уголь; 2 – 50 % вода/2 % опилки сосны/48 % уголь; 3 – 50 % вода/2 % хвоя сосны/48 % уголь; 4 – 50 % вода/4 % хвоя сосны/46 % уголь; 5 – 50 % вода/6 % хвоя сосны/44 % уголь; 6 – 50 % вода/4 % опилки сосны/46 % уголь; 7 – 50 % вода/6 % опилки сосны/44 % уголь

Fig. 4. Value of dynamic viscosity at a shear rate of 100 rpm for CWS compositions: 1 – 50% water/50% coal; 2 – 50% water/2% pine sawdust/48% coal; 3 – 50% water/2% pine needles/48% coal; 4 – 50% water/4% pine needles/46% coal; 5 – 50% water/6% pine needles/44% coal; 6 – 50% water/4% pine sawdust/46% coal; 7 – 50% water/6% pine sawdust/44% coal

 

Анализ рис. 4 показал, что для составов топлива с добавлением хвои сосны показания вязкости находятся ниже порогового значения 1200 Па·с. Можно отметить, что при максимальном содержании биомассы (хвои сосны) 6 % имеется запас до порогового значения практически в два раза.

В этой связи можно с уверенностью сказать, что дальнейшее увеличение концентрации хвои сосны возможно. Добавление опилок (даже при относительно малых массовых концентрациях (4 % и более)) в состав топливной смеси приводит к значимому повышению динамической вязкости (более 1200 Па·с) био-водоугольного композита. Последнее обусловлено высокой адсорбционной способностью древесины. Анализ экспериментальных данных, приведенных на рис. 4, показывает, что содержание биомассы в Био-ВУС 4 и 6 % (по массе) приводит к экспоненциальному росту вязкости топлива. Такое изменение динамической вязкости ВУС окажет существенное влияние на характеристики ее распыления, транспортировку и хранение. Соответственно, можно сказать, что для стабильного распыления водоугольного топлива в топках котлов необходимо создание новых видов спринклерных систем [20] или изменение технологии сжигания таких высоковязких топлив, например, сжигание ВУС с содержанием древесных опилок выше 2 % в циркулирующем кипящем слое. Исходя из вышеизложенного, дальнейшие экспериментальные исследования по изучению задержки зажигания ВУС проводились с концентрацией биомассы 2 %.

На рис. 5 представлена типичная видеограмма процессов зажигания капель ВУС без СВЧ-излучения (рис. 5, а, с) и под воздействием микроволнового нагрева (рис. 5, b, d). Процесс термической подготовки топлива можно условно разделить на несколько последовательных стадий. В начальный момент времени кадр I характеризует начало теплового воздействия, происходит инертный нагрев капли топлива, который инициирует процесс испарения влаги. Далее влага начинает испаряться, и топливо изменяет свою текстуру с блестящей на матовую (кадр II), образуется твердый углеродистый каркас. За кадр воспламенения частицы ВУТ с временем t_ign принимался момент начала светимости частицы, превышающей светимость камеры сгорания (кадр III). Стоит отметить, что зажигание, как правило, происходит на поверхности частицы. Кадр IV характеризует развитое горение частицы ВУС. С момента зажигания (кадр III) до развитого горения (кадр IV) для Био-ВУС с добавлением опилок сосны проходит почти столько же времени, что и для ВУС с добавлением хвои сосны при всех видах нагрева. Следовательно, можно сделать вывод, что вид биомассы в составе ВУС не влияет на время полного охвата пламенем капель Био-ВУС при температуре окружающей среды T=673 К.

 

Рис. 5. Кадры типичной видеограммы процесса воспламенения ВУС с добавлением древесной биомассы при температуре 673 К: a) ВУC с добавлением сосны хвои без СВЧ; b) ВУC с добавлением сосны хвои с СВЧ; с) ВУC с добавлением сосны опилок без СВЧ; d) ВУC с добавлением сосны опилок с СВЧ

Fig. 5. Frames of a typical videogram of CWS ignition with woody biomass addition at a temperature of 673 K: a) CWS with the addition of pine needles without microwave; b) CWS with the addition of pine needles with microwave; c) CWS with the addition of pine sawdust without microwave; d) CWS with the addition of pine sawdust with microwave

 

На рис. 6 представлены зависимости задержки зажигания (t_ign) ВУС с добавлением в их состав опилок и хвои сосны в условиях радиационно-конвективного и радиационно-конвективного микроволнового нагревов.

 

Рис. 6. Зависимости задержки зажигания ВУС от температуры окислительной среды для составов ВУС: 1 – 50 % вода/50% уголь; 2 – 50 % вода/2 % хвоя сосны/48 % уголь; 3 – 50 % вода/2 % опилки сосны/48 % уголь

Fig. 6. Dependence of CWS ignition delay times on the temperature of the oxidizing medium for CWS compositions: 1 – 50% water/50% coal; 2 – 50% water/2% pine needles/48% coal; 3 – 50% water/2% sawdust pine/48% coal

 

Хорошо видно, что добавление СВЧ-излучения снижает продолжительность термической подготовки частиц ВУС и Био-ВУС для всего исследуемого диапазона температур. При относительно низких температурах окислителя (673 К) влияние микроволнового нагрева максимально. Введение в состав ВУС 2 % добавок биомассы ускоряет процесс зажигания частиц топлива без СВЧ-нагрева для капель топлива с хвоей сосны на 17 %, а частиц с добавлением опилок сосны на 2 7% при относительно низких температурах внешней среды.

При радиационно-конвективном микроволновом нагреве добавление в ВУС 2 % хвои сосны снижает t_ign до 30 % и до 35 % при добавлении 2 % опилок сосны при температуре внешней среды 673 K.

Следовательно, можно сделать обобщённый вывод о том, что введение в состав ВУС 2 % опилок сосны (по массе) и добавление СВЧ-подсветки ВУС приводит к существенному снижению (до 40 %) продолжительности термической подготовки (t_ign) последних. Установленные при проведении экспериментов закономерности иллюстрируют возможность реализации технологии сжигания ВУС (в составе которой присутствует биомасса) с воздействием микроволнового нагрева.

Заключение

1. Дополнительный микроволновый нагрев и добавление биомассы – опилок сосны – позволяют уменьшить время задержки зажигания ВУС при температуре окружающей среды T=673 K до 35 %.
2. Наибольшее влияние микроволнового нагрева наблюдается в области относительно низких температур (T≤700 К).
3. Динамическая вязкость Био-ВУС не превышает порогового значения 1200 Па·с при скорости сдвига 100 об/мин для капель топлива с добавлением не более 2 % опилок сосны и не более 6 % хвои сосны.

About the authors

Dmitriy Yu. Malyshev

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: dmitry.mlv@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1048-9466

Cand. Sc., Associate Professor

Russian Federation, Tomsk

Zhanna A. Kostoreva

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: zhanna.kostoreva@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0545-9211

Cand. Sc., Assistant

Russian Federation, Tomsk

Maxim S. Tamashevich

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: maksimtamashevich@mail.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, Tomsk

References

Supplementary files