Математическое моделирование процесса сушки древесной коры

УДК

674.047.3

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-6-159-171

Аннотация

В настоящее время на лесоперерабатывающих предприятиях Российской Федерации образуется большое количество отходов в виде древесной коры, которые не находят широкого применения в промышленности и оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Одним из возможных направлений переработки таких отходов является их сжигание в слоевых топках. Однако древесная кора ввиду своей высокой влажности и крайне разнородного фракционного состава относится к низкокалорийному трудносжигаемому виду топлива. Высокая влажность уменьшает энергетическую плотность древесной коры. Крайне разнородный ее фракционный состав (линейные размеры отдельных кусков коры могут изменяться от миллиметров до десятков сантиметров) осложняет организацию топочного процесса. Эффективная утилизация древесной коры обеспечивается при ее предварительной сушке до влажности 55…60 % и размере кусков коры, не превышающем 100 мм. Целью представленной работы является исследование температурного поля в плотном продуваемом слое высоковлажной древесной коры при ее сушке высокотемпературными дымовыми газами котельных агрегатов. На основе анализа физической картины разработана математическая модель прогрева плотного слоя высоковлажной древесной коры с учетом оценки толщины плотного слоя коры, использующая методику расчета аэродинамического сопротивления поперечно продуваемого слоя потоку газов. Проведены численные эксперименты по расчету полей температур при прогреве одиночного куска высоковлажной древесной коры, расположенного в передней части плотного продуваемого слоя. Результаты расчета сравнивались с результатами, полученными по разработанной нами модели. На основе математического моделирования процесса прогрева плотного слоя и термической подготовки высоковлажной древесной коры к сжиганию разработана методика, позволяющая рассчитать общую продолжительность нагрева влажного материала до полного высыхания слоя, время, затраченное на прогрев продуваемого плотного слоя до полного выхода летучих веществ, а также температурные поля в слое коры и потоке газа. Предложены схема подготовки высоковлажной коры к сжиганию и методика для определения характерных параметров двухступенчатой схемы энергетического использования высоковлажной древесной коры в слоевых топках котлов и теплогенераторов.

Сведения об авторах

Н.Н. Синицын, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: J-1662-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8919-0573
Н.В. Телин, д-р техн. наук, проф.
Череповецкий государственный университет, просп. Луначарского, д. 5, г. Череповец, Россия, 162600; e-mail: nnsinitcyn@chsu.ru, telin_nv@mail.ru

Ключевые слова

сушка, высоковлажная древесная кора, топочные устройства, математическая модель прогрева плотного продуваемого слоя, продуваемый плотный слой, температурное поле продуваемого плотного слоя, фазовый переход влаги

Для цитирования

Синицын Н.Н., Телин Н.В. Математическое моделирование процесса сушки древесной коры // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 6. С. 159–171. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-159-171

Литература

1. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 512 с. [Ametistov E.V., Grigor’yev V.A., Emtsev B.T. et al. Heat and Mass Transfer. Heat Engineering Experiment: A Handbook. Ed. by V.A. Grigor’yev, V.M. Zorin. Moscow, Energoizdat Publ., 1982. 512 p.].
2. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод) / под ред. С.И. Мочана. Изд. 3-е. Л.: Энергия, 1977. 256 с. [Aerodynamic Analysis of Boiler Plants (Normative Method). Ed. by S.I. Mochan. Leningrad, Energiya Publ., 1977. 256 p.].
3. Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 224 с. [Golovkov S.I., Koperin I.F., Naydenov V.I. Energy Use of Wood Waste. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1987. 224 p.].
4. Дорняк О.Р. Математическое моделирование процесса сушки древесины // Изв. вузов. Лесн. журн. 2012. № 5. С. 100–107. [Dornyak O.R. Mathematical Modelling of Wood Drying Process. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2012, no. 5, pp. 100–107]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/047/%D0%9C%D0%A2%D0%941.pdf
5. Ермоченков М.Г. Кинетические параметры процесса сушки древесины // Изв. вузов. Лесн. журн. 2017. № 6. С. 114–125. [Ermochenkov M.G. Kinetic Parameters of Wood Drying Process. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2017, no. 6, pp. 114–125]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.6.114, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/443/3 Ermochenkov.pdf
6. Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Металлургия, 1975. 368 с. [Kazantsev E.I. Industrial Furnaces. Reference Manual for Calculations and Design. Moscow, Metallurgiya Publ., 1975. 368 p.].
7. Любов В.К., Попов А.Н., Попова Е.И., Малыгин П.В., Солнышкова Л.М. Исследование эффективности сжигания древесного биотоплива в теплогенерирующей установке // Изв. вузов. Лесн. журн. 2017. № 4. С. 149–161. [Lyubov V.K., Popov A.N., Popova E.I., Malygin P.V., Solnyshkova L.M. Wood-Based Biofuel Efficiency in the Heat Producing Installation. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2017, no. 4, pp. 149–161]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.149, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/ 5e9/3lyubov.pdf
8. Любов В.К., Попова Е.И., Шкаева Н.В., Болотова К.С., Солнышкова Л.И. Исследование процесса торрефикации древесины // Вестн. ЧГУ. 2017. № 3(78). С. 38-45. [Lyubov V.K., Popova E.I., Shkaeva N.V., Bolotova K.S., Solnyshkova L.I. A Study of Wood Torrefaction. Vestnik Cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta [Cherepovets State University Bulletin], 2017, no. 3(78), pp. 38-45]. DOI: 10.23859/1994-0637-2017-3-78-4
9. Максимук Ю.В., Пономарев Д.А., Курсевич В.Н., Фесько В.В. Теплота сгорания древесного топлива // Изв. вузов. Лесн. журн. 2017. № 4. С. 116–129. [Maksimuk Yu.V., Ponomarev D.A., Kursevich V.N., Fes’ko V.V. Calorific Value of Wood Fuel. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2017, no. 4, pp. 116–129]. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116, URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/6a0/1maksimchuk.pdf
10. Синицын Н.Н., Телин Н.В., Домрачев Д.А., Антонова Ю.А., Никонова Е.Л., Петрова Г.М. Исследование конвективного теплообмена при сушке коры деревьев в плотном слое // Вестн. ЧГУ. 2016. № 3(72). С. 24–28. [Sinitsyn N.N., Telin N.V., Domrachev D.A., Antonova Y.A., Nikonova E.L., Petrova G.M. The Study of Convective Heat Transfer during Drying in a Dense Layer of Tree Bark. Vestnik Cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta [Cherepovets State University Bulletin], 2016, no. 3(72), pp. 24–28].
11. Синицын Н.Н., Телин Н.В., Грызлов В.С., Андреев А.С., Виноградова М.С., Гаркавченко Э.В., Гневашева Т.В., Кузнецова В.П., Павлова А.И. Моделирование динамики выхода влаги и летучих веществ в процессе нагрева древесной биомассы (коры) // Вестн. ЧГУ. 2018. № 2(83). С. 47-53. [Sinitsyn N.N., Telin N.V., Gryzlov V.S., Andreev A.S., Vinogradova M.S., Garkavchenko E.V., Gnevasheva T.V., Kuznetsova V.P., Pavlova A.I. Study on Opportunities and Evaluation of Time of Wood Crude Drying with Waste High-Temperature Smoke Gases of Boiler Units. Vestnik Cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta [Cherepovets State University Bulletin], 2018, no. 2(83), pp. 47-53]. DOI: 10.23859/1994-0637-2018-1-83-6
12. Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Оценка теплотехнических характеристик древесного топлива // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1(25). С. 117–123. [Stepanov V.S., Stepanova T.B., Starikova N.V. Evaluating Burning Characteristics of Wood Fuels. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies], 2015, no. 1(25), pp. 117–123].
13. Фролов В.Ф. Моделирование сушки дисперсных материалов. Л.: Химия, 1987. 208 с. [Frolov V.F. Modeling the Drying of Dispersed Materials. Leningrad, Khimiya Publ., 1987. 208 p.].
14. Чернов А.А., Марьяндышев П.А., Любов В.К. Исследование различных видов биотоплива методом хроматографии газовых смесей // Вестн. ЧГУ. 2015. № 2(63). С. 44–49. [Chernov A.A., Maryandyshev P.A., Lyubov V.K. Studying the Different Kinds of Biofuels Using the Gas Chromatography of Gaseous Mixtures. Vestnik Cherepovetskogo gosudarstvennogo universiteta [Cherepovets State University Bulletin], 2015, no. 2(63), pp. 44–49].
15. Bioenergy. Ch. 7. World Energy Resources: 2013 Survey. London, World Energy Council, 2013. 24 p. Available at: https://www.worldenergy.org/assets/images/imported/ 2013/10/WER_20137Bioenergy.pdf (accessed 27.12.18).
16. Bobkov V.I., Borisov V.V., Dli M.I., Meshalkin V.P. Intensive Technologies for Drying a Lump Material in a Dense Bed. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2017, vol. 51, iss. 1, pp. 70–75. DOI: 10.1134/S0040579517010031
17. Dahlen J., Prewitt L., Shmulsky R., Jones D. Hazardous Air Pollutants and Volatile Organic Compounds Emitted during Kiln Drying of Southern Pine Lumber to Interior and Export Moisture Specifications. Forest Products Journal, 2011, vol. 61, iss. 3, pp. 229–234. DOI: 10.13073/0015-7473-61.3.229
18. Di Blasi C. Heat, Momentum and Mass Transport through a Shrinking Biomass Particle Exposed to Thermal Radiation. Chemical Engineering Science, 1996, vol. 51, iss. 7, pp. 1121–1132. DOI: 10.1016/S0009-2509(96)80011-X
19. Flach B., Bendz K., Krautgartner R., Lieberz S. EU-27. Biofuels Annual. EU Biofuels Annual 2013. Report No. NL3034. The Hague, USDA Foreign Agricultural Service, 2013. 34 p.
20. Howard J.B., Essenhing R.H. Pyrolysis of Coal Particles in Pulverized Fuel Flames. Industrial and Engineering Chemistry, Process Design and Development, 1967, vol. 6, no. 1, pp. 74–84. DOI: 10.1021/i260021a013
21. Lubov V.K., Diachkov V.A. Methodical Aspects of Energy Audit. International Conference. Forest Sector Development Problems. Extended Abstracts. Petrozavodsk, 1998, pp. 26–27.
22. Lubov V.K., Diachkov V.A., Lubova O.A. Some Problems of Small Energetics and Ways of Their Solution. International Conference. Forest Sector Development Problems. Extended Abstracts. Petrozavodsk, 1998, pp. 25–26.
23. Lumber Drying Sourcebook: 40 Years of Practical Experience. Ed. by E.M. Wengert, R.L. Toennisson. Madison, WI, Forest Products Society, 1998. 371 p.
24. Magdziarz A., Wilk M., Straka R. Combustion Process of Torrefied Wood Biomass. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2017, vol. 127, pp. 1339–1349. DOI: 10.1007/s10973-016-5731-0
25. Maryandyshev P.А., Chernov A.А., Popova E.I., Lyubov V.K. Thermal Decomposition and Combustion of Coals, Fuel Wood, and Hydrolytic Lignin, as Studied by Thermal Analysis. Solid Fuel Chemistry, 2016, vol. 50, iss. 3, pp. 167–176. DOI: 10.3103/S0361521916030095
26. Maryandyshev P.А., Chernov A.А., Popova E.I., Eseev M.K., Lyubov V.K. The Isothermal Degradation of Wood. Solid Fuel Chemistry, 2016, vol. 50, iss. 6, pp. 381–389. DOI: 10.3103/S0361521916060069
27. Maryandyshev P.А., Popova E.I., Chernov A.А, Eseev M.K., Lyubov V.K. Isothermal and Morphological Studies of the Torrefaction of Spruce Wood. Solid Fuel Chemistry, 2018, vol. 52, iss. 3, pp. 153–162. DOI: 10.3103/S0361521918030072
28. Maryandyshev P.А., Popova E.I., Chernov A.А., Popov M.S., Lyubov V.K., Trouve G. et al. Thermal Decomposition and Combustion of Biofuels. Solid Fuel Chemistry, 2017, vol. 51, iss. 6, pp. 370–378. DOI: 10.3103/S0361521917060052
29. Peters B., Bruch C. Drying and Pyrolysis of Wood Particles: Experiments and Simulation. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2003, vol. 70, iss. 2, pp. 233‒250. DOI: 10.1016/S0165-2370(02)00134-1
30. Poletto M., Zattera A.J., Forte M.M.C., Santana R.M.C. Thermal Decomposition of Wood: Influence of Wood Components and Cellulose Crystallite Size. Bioresource Technology, 2012, vol. 109, pp. 148–153. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.11.122
31. Reid A.M., Robertson K.M. Energy content of common fuels in Upland Pine Savannas of the South-Eastern US and Their Application to Fire Behaviour Modelling. International Journal of Wildland Fire, 2012, vol. 21(5), pp. 591‒595. DOI: 10.1071/WF10139
32. Telmo C., Lousada J. Heating Values of Wood Pellets from Different Species. Biomass and Bioenergy, 2011, vol. 35(7), pp. 2634–2639.
33. Zeng W., Tang S., Xiao Q. Calorific Values and Ash Contents of Different Parts of Masson Pine Trees in Southern China. Journal of Forestry Research, 2014, vol. 25, iss. 4, pp. 779–786. DOI: 10.1007/s11676-014-0525-3

Ссылка на английскую версию:

Mathematical Modeling of the Bark Drying Process

MATHEMATICAL MODELING OF THE BARK DRYING PROCESS

N.N. Sinitsyn, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: J-1662-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8919-0573
N.V. Telin, Doctor of Engineering, Prof.
Cherepovets State University, prosp. Lunacharskogo, 5, Cherepovets, 162600, Russian Federation; e-mail: nnsinitcyn@chsu.ru, telin_nv@mail.ru

Currently, a large amount of wood bark waste is generated at the timber processing enterprises of the Russian Federation, which is not widely used in industry and has a negative impact on the environment. One of the feasible directions for the processing of such waste is its burning in layered furnaces. However, tree bark, due to its high moisture content and extremely heterogeneous fractional composition, belongs to a low-energy, difficult-to-burn fuel. High humidity reduces the energy density of the bark. The extremely heterogeneous fractional composition of tree bark (linear dimensions of random bark chips can vary from millimeters to tens of centimeters) complicates the organization of the burning process. Effective utilization of tree bark is ensured when it is pre-dried to a moisture content of 55–60 % and the size of bark chips not exceeding 100 mm. The purpose of the presented work is to study the temperature field in a dense blown layer of high-moisture bark when drying it with high-temperature flue gases from boiler units. A mathematical model for heating the dense layer of high moisture tree bark has been developed based on the physics analysis. It was done taking into account the assessment of the bark dense layer thickness, which uses the method of calculating the aerodynamic resistance of a transversely blown layer to a gas flow. Numerical experiments were carried out in order to calculate the temperature fields during the heating of a single chip of high moisture tree bark located in the front part of the dense blown layer. The calculation data were compared with the results obtained using the developed model. A procedure that allows calculating the total duration of heating the wet material until the layer is completely dry, the time spent on heating the blown dense layer until the complete release of volatile substances, and the temperature fields in the bark layer and gas flow has been developed on the basis of mathematical modeling of the process of the dense layer heating and thermal preparation of high moisture tree bark for burning. A scheme for preparing high moisture tree bark for burning and a method for determining the characteristic parameters of a two-stage scheme of energy use of high moisture tree bark in layered furnaces of boilers and heat generators are proposed.
For citation: Sinitsyn N.N., Telin N.V. Mathematical Modeling of the Bark Drying Process. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 6, pp. 159–171. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-6-159-171

Keywords: drying, high moisture bark, furnace devices, mathematical model of heating a blown dense layer, blown dense layer, temperature field of a blown dense layer, moisture phase transition.

Поступила 05.11.19 / Received on November 5, 2019