ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ЗАСЫПКИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЁ СУШКИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРЕВА

Abstract

Актуальность. Анализ прогнозов специалистов показывает, что, несмотря на активные попытки многих государств внедрить возобновляемые источники энергии в национальные энергосистемы к 2040 г., основная доля производства тепловой и электрической энергии все равно будет приходится на тепловые электрические станции, сжигающие уголь. По этой причине на настоящее время ведутся активные разработки новых технологий сжигания топлива, которые позволят полностью (или хотя бы значительно) сократить использование угля на тепловых электрических станциях (ТЭС). Одним из самых перспективных направлений является сжигание древесной биомассы в топочных устройствах котельных агрегатов. Но полномасштабное внедрение биомассы в качестве топлива на ТЭС тормозится неизученностью процессов тепло- и массопереноса, протекающих при сушке влажной древесины. Это обусловлено тем, что, как правило, свежедобытая древесина значительно насыщенна влагой. Сжигание такой высокообводненной биомассы в топочных устройствах неэффективно. При большой исходной влажности много теплоты будет затрачиваться на испарение и, соответственно, коэффициент полезного действия цикла парогенерации может снижаться. Поэтому исходное влагонасыщенное сырье необходимо предварительно подсушивать. В связи с этим одной из открытых проблем энергетики в настоящее время является неизученность основных закономерностей процессов тепло- и массопереноса, протекающих в слое мелкодиспергированной влажной древесной биомассы в период её сушки. Последнее необходимо для разработки фундаментальных основ проведения опытно-конструкторских работ по обоснованию конструктивных характеристик современных установок термической подготовки биомассы к сжиганию. При этом, как правило, сушку больших объемов древесины проводят в крупногабаритном оборудовании бункерного типа. В таких бункерах высота слоя биомассы может достигать несколько десятков метров (до 20 м). Очевидно, что в этих условиях градиенты плотности древесины (за счет слеживаемости) также будут значительны. При этом достоверно установлено, что на характеристики влагоудаления из слоя влажной древесной биомассы оказывает влияние не только температура внешней среды, но и фильтрационные характеристики (плотность, размер пор, проницаемость, пористость) высушиваемого материала. Но до настоящего времени в мировой научной периодике нет публикаций с описанием результатов оценки влияния плотности засыпки влажной мелкодиспергированной древесины на характеристики и условия её дегидратации. Цель: анализ влияния плотности засыпки слоя влажной древесной биомассы на процессы тепломассопереноса в условиях высокотемпературного нагрева. Объект: влажная древесная биомасса (сосновые опилки). Экспериментальные исследования проведены при следующих значениях степени уплотнения биомассы γ=1; γ=1,5; γ=2 (где γ=ρ/ρ0; ρ – плотность спрессованной биомассы; ρ0 – плотность биомассы без уплотнения). Метод: экспериментальные исследования скорости влагоудаления и времени дегидратации влажной древесной биомассы при высокотемпературном нагреве (Tg=333–393 K) в сушильной камере СНОЛ-3.5-М2У42. Результаты. Приведены результаты экспериментальных исследований процессов влагоудаления из слоя влажной древесной биомассы (на основе типичных отходов деревообработки - опилки) при интенсивном радиационно-конвективном нагреве. Проанализировано влияние насыпной плотности (ρ) слоя древесины на характеристики процесса влагоудаления. Установлено, что увеличение степени уплотнения (γ) навески биомассы приводит к существенному изменению динамики влагоудаления (увеличение γ с 1 до 2 приводит к двукратному росту времени сушки td). При этом показано, что такое увеличение td характерно для всех значений температур окружающей среды Tg. Также по результатам экспериментов установлены характерные значения массовой скорости влагоудаления (Weva) в зависимости от времени при различных степенях уплотнения слоя биомассы. Показано, что в условиях относительно низких температур внешней среды функция Weva(t) имеет волновой характер. Сформулирована гипотеза, описывающая такую зависимость значений Weva от времени. Результаты проведенных исследований существенно расширяют современные представления о процессах сушки мелкодиспергированной древесной биомассы в условиях интенсивного радиационно-конвективного нагрева.