Повышение эффективности энергетического использования биотоплива. С. 172–185

УДК

662.6/9

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-1-172-185

Аннотация

В современном мире растет доля теплоэлектростанций, потребляющих возобновляемые энергоресурсы. В качестве топлива все чаще применяются древесные и биоугольные гранулы. В технологическом цикле целлюлозно-бумажного производства образуется большое количество древесных отходов, которые необходимо эффективно использовать. Однако кородревесные отходы относятся к трудносжигаемым видам топлива, что вызывает необходимость «подсветки» факела высококалорийным невозобновляемым топливом и сопровождается образованием углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Для энергетического использования кородревесного топлива на российских предприятиях до сих пор используются котлоагрегаты КМ-75-40, снятые с производства в 1985 г. Энергетическое обследование котла КМ-75-40 при его работе на кородревесном топливе (кора хвойных и лиственных пород древесины, некондиционная щепа и опилки) показало, что конструкция и техническое состояние котлоагрегата не обеспечивают требуемую полноту выгорания горючих компонентов топлива и экологические показатели, соответствующие требованиям ГОСТ Р 50831–95. Целью данной работы является анализ возможностей комплексного повышения эффективности сжигания кородревесного топлива в котлоагрегатах КМ-75-40. По результатам выполненных исследований были разработаны первоочередные мероприятия для улучшения эффективности работы данных котлоагрегатов. Котлоагрегаты КМ-75-40 работают более 50 лет и требуют замены на современные низкоэмиссионные теплогенерирующие установки. Однако до замены рекомендуется модернизация котлоагрегатов: их перевод на работу по слое-вихревой технологии сжигания и использование в качестве добавки к кородревесному топливу биоугольных гранул для регулирования теплотехнических характеристик сжигаемого биотоплива и паропроизводительности котельных установок. Перспективными для этих целей биоугольными гранулами являются пеллеты, полученные из гидролизного лигнина, прошедшего мягкий пиролиз. Для оценки эффективности совместного сжигания кородревесного топлива и биоугольных гранул были выполнены тепловые и аэродинамические расчеты котла КМ-75-40 при разной доле гранул по тепловыделению, а также термогравиметрические исследования. При тепловом расчете учитывались: кратность циркуляции топливных частиц в вихревой зоне, гранулометрический состав сжигаемой топливной смеси, особенности расположения горелочных устройств, снижение загрязнения поверхности нагрева. Переход на сжигание данной топливной смеси по слое-вихревой технологии позволит отказаться от использования невозобновляемых видов топлива в котлоагрегатах КМ-75-40 при сжигании высоковлажного кородревесного топлива, существенно повысит КПД котлов и уменьшит негативное влияние на окружающую среду.

Сведения об авторах

В.К. Любов*, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAF-8949-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7050-1212
И.И. Цыпнятов, мл. науч. сотр.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8074-7934
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; vk.lubov@mail.ru*, ilya.tsypniatov@list.ru

Ключевые слова

котел, древесное топливо, биоугольные гранулы, гидролизный лигнин, вредные вещества, потери тепла, коэффициент полезного действия, слое-вихревое сжигание

Для цитирования

Любов В.К., Цыпнятов И.И. Повышение эффективности энергетического использования биотоплива // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 1. С. 172–185. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-1-172-185

Литература

1. Башмаков И.А., Мышак А.Д. Затраты и выгоды реализации стратегий низкоуглеродного развития России: перспективы до 2050 г. // Вопр. экономики. 2014. № 8. С. 70–91. https://doi.org/10.32609/0042-8736-2014-8-70-91

2. Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 221 с. 

3. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесн. пром-сть, 1978. 407 с. 

4. Кокорин А. Новые факторы и этапы глобальной и российской климатической политики // Экон. политика. 2016. Т. 11, № 1. С. 157–176. https://doi.org/10.18288/1994-5124-2016-1-10

5. Любов В.К., Владимиров А.М. Комплексная эффективность применения древесных гранул в энергоустановках // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 1. С. 159–172. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-1-159-172

6. Любов В.К., Любова С.В. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив. Архангельск: САФУ, 2017. 533 с. 

7. Макаров И.А., Чен Х., Пальцев С.В. Последствия Парижского климатического соглашения для экономики России // Вопр. экономики. 2018. № 4. С. 76–94. https://doi.org/10.32609/0042-8736-2018-4-76-94

8. Методика измерения массовой концентрации сажи в промышленных выбросах и в воздухе рабочей зоны: утв. ОАО НИИ «Техуглерод». Ярославль, 2005. 10 с. 

9. Мохирев А.П., Безруких Ю.А., Медведев С.О. Переработка древесных отходов предприятий лесопромышленного комплекса, как фактор устойчивого природопользования // Инж. вестн. Дона. 2015. № 2, ч. 2. С. 81. 

10. Патент 2756712 С1 РФ. МПК F23B 10/00. Комбинированное топочное устройство для сжигания кородревесного топлива: № 2021106499: заявл. 12.03.2021: опубл. 04.10.2021 / В.К. Любов. 

11. Сафонов Г.В., Стеценко А.В., Дорина А.Л., Авалиани С.Л., Сафонова Ю.А., Беседовская Д.С. Стратегия низкоуглеродного развития России. Возможности и выгоды замещения ископаемого топлива «зелеными» источниками энергии. М.: ТЕИС, 2016. 48 с. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.2954.5200

12. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 272 с. 

13. Тепловой расчет котлов (нормативный метод) / РАО «ЕЭС России», ВТИ, НПО ЦКТИ. СПб., 1998. 257 с. 

14. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1991. 414 с. 

15. Финкер Ф.З., Дульнева Л.Т., Кубышкин И.Б., Митрюхин А.Г., Дробышевский М.А. Результаты модернизации котла ПК-38 Назаровской ГРЭС с использованием ВИР-технологии «Политехэнерго» // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. науч. тр. СПб.: СПбГТУРП, 2005. С. 141–146. 

16. Финкер Ф.З., Кубышкин И.Б., Митрюхин А.Г., Шлегель А.Э., Сидоров Н.В., Царев С.А. Камерное сжигание дробленых назаровских углей на котле ПК-38 по схеме «Политехэнерго» // Новое в российской электроэнергетике. 2005. № 5. С. 34–41. 

17. Arshadi M., Gref R., Geladi P., Dahlqvist S.-A., Lestander T. The Influence of Raw Material Characteristics on the Industrial Pelletizing Process and Pellet Quality. Fuel Processing Technology, 2008, vol. 89, iss. 12, pp. 1442–1447. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.001

18. Bergman P. Torrefaction for Biomass Co-Firing in Existing Coal-Fired Power Stations BIOCOAL. ECN Report No. ECNC-05-013. Netherlands, 2005. 75 p.

19. Flach B., Bendz K., Krautgartner R., Lieberz S. EU-27. Biofuels Annual. GAIN Report No. NL3034. The Hague, USDA, 2013. 34 p.

20. Gera D., Mathur M.P., Freeman M.C., Robinson A. Effect of Large Aspect Ratio of Biomass Particles on Carbon Burnout in a Utility Boiler. Energy & Fuels, 2002, vol. 16, iss. 6, pp. 1523–1532. https://doi.org/10.1021/ef0200931

21. Kruggel-Emden H., Wirtz S., Scherer V. An Experimental Investigation of Mixing of Wood Pellets on a Forward Acting Grate in Discontinuous Operation. Powder Technology, 2013, vol. 233, pp. 261–277. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2012.08.029

22. Lyubov V.K., Popov A.N., Maryandyshev P.A. Research of Efficient Burning of Bark and Wood Fuel. International Science and Technology Conference “EastConf”. Vladivistok, 2019, pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/EastConf.2019.8725391

23. Magdziarz A., Wilk M., Straka R. Combustion Process of Torrefied Wood Biomass. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2017, vol. 127, pp. 1339–1349. https://doi.org/10.1007/s10973-016-5731-0

24. 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. https://doi.org/10.3103/S0361521916030095

25. 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. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.11.122

26. Porfiriev B.N., Roginko S.A. Energy on Renewable Sources: Prospects for the World and for Russia. Herald of the Russian Academy of Sciences, 2016, vol. 86, iss. 6, pp. 433–440. https://doi.org/10.1134/S101933161606006X