Топи поленом правильной формы

И сследования проводятся в Научно-образовательном центре И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики ТПУ. Как рассказал «Стимулу» руководитель проекта, доцент НОЦ И. Н. Бутакова, доктор технических наук Семен Сыродой, проблемой создания эффективных систем сжигания древесной биомассы его коллектив занимается с 2016 года.

«Актуальность этой проблемы в последнее время растет: все больше и больше стран стараются перевести свои тепловые электрические станции с угля на древесину. У нее множество преимуществ перед традиционными энергоносителями. Во-первых, дерево — относительно дешевое топливо, которое равномерно распространено на планете (присутствует на все континентах за исключением Антарктиды). Во-вторых, древесная биомасса — более экологически чистый материал по сравнению с углем или природным газом. Например, считается, что при сжигании древесины образуется CO₂, который не нарушает общего баланса диоксида углерода в атмосфере. Кроме того, при сжигании древесины в воздух попадает значительно меньше токсичных оксидов серы и азота, чем при сжигании угля», — пояснил Семен Сыродой.

Частица крепится на иглу-держатель и при помощи дистационно-управляемого устройства помещается в печь; все процессы зажигания и горения снимает скоростная видеокамера

Пресс-служба ТПУ

Сжечь биомассу без задержки

По оценкам специалистов, работающих в области деревообрабатывающей и лесозаготовительной промышленности, ежегодно в России образуется около 35,5 млн кубометров древесных отходов. Больше всего, как правило, при лесопилении и механической обработке древесины, а также при производстве фанеры. Причем эти отходы практически не используются, и многие лесозаготовительные фабрики даже доплачивают за их вывоз со своей территории.

В странах Западной Европы предпринимались попытки масштабного (более чем на 150 ТЭС) внедрения древесной биомассы в общий баланс тепло- и электрогенерации. Но сейчас в мире работает не более 40 тепловых электростанций, сжигающих древесную биомассу (одна из них — датская станция Avedøre мощностью 793 МВт, у которой часть второго энергоблока работает на древесных гранулах). Такая ситуация связана с недостаточной изученностью всего комплекса процессов горения древесины.

«Эффективных методов сжигания древесной биомассы в мире пока не разработано, — отмечает Семен Сыродой. — Наши исследования посвящены поиску оптимальных форм частиц древесной биомассы, которые позволяют достичь высоких показателей процесса сжигания древесины (малое время задержки зажигания, высокая скорость горения, низкая интенсивность образования антропогенных продуктов сгорания). За рубежом таких исследований практически не проводится. Как правило, влияние формы частиц древесины рассматривается в рамках изучения процессов газификации древесной биомассы. Поэтому можно сказать, что данные, полученные нами по результатам экспериментов, уникальны и достаточно нетривиальны».

Участники проекта, сотрудники Инженерной школы энергетики ТПУ, слева направо: кандидат технических наук, ассистент Дмитрий Малышев, кандидат физико-математических наук, инженер Наталья Нигай, доктор технических наук, доцент Семен Сыродой, кандидат технических наук, ассистент Жанна Косторева, кандидат физико-математических наук, инженер Ксения Войткова

Пресс-служба ТПУ

Куб, параллелепипед и пластина

В качестве материала исследователи выбрали кедр. Он больше всего распространен в Сибири, а также отвечает главным технологическим требованиям для биотоплива — высокая теплота сгорания и высокое содержание горючих летучих газов, что улучшает процесс зажигания.

«Для эксперимента мы использовали частицы одинакового объема, но трех разных конфигураций — прямоугольный параллелепипед, куб и пластина. Это наиболее типичные, характерные формы фрагментов биомассы», — рассказывает ассистент НОЦ И. Н. Бутакова кандидат технических наук Жанна Косторева.

Комплекс исследований проводился на экспериментальном стенде. В специальной камере сгорания создавались условия, соответствующие топочным устройствам котлов тепловых электростанций. Процессы нагрева и зажигания регистрировались с помощью высокоскоростной видеокамеры, после чего ученые их анализировали по полученным кадрам.

«В ходе экспериментов были обнаружены любопытные зависимости, — рассказывает Семен Сыродой. — При увеличении размера частиц древесной биомассы, сформированных в виде прямоугольного параллелепипеда, сначала время задержки зажигания растет (что является очевидным следствием), но далее, при переходе определенного порогового значения размера частиц, задержка зажигания становится меньше. Это нетривиальные результаты с точки зрения классической теории процессов зажигания конденсированных сред, и они получены впервые. Нам предстоит определить причины такого явления».

Ученые также выяснили, что увеличение размера частиц древесины, имеющих кубическую форму, не оказывает влияния на динамику сгорания. Следовательно, дробить биомассу до ультрамелкого состояния нет необходимости, а значит, энергетические и экономические затраты на механическую подготовку топлива будут меньше.

Исследователи получили еще один перспективный результат: при равных массах частицы в форме пластины воспламеняются значительно быстрее, чем те, что имеют форму куба и прямоугольного параллелепипеда.

Далее политехники собираются разработать полностью автономную и замкнутую математическую модель процесса воспламенения с учетом реальной конфигурации топливных частиц. Кроме того, в планах — проанализировать влияние влажности древесины на характеристики зажигания и горения. Исследователи также хотят выяснить, как влияет форма частиц на интенсивность образования антропогенных продуктов горения — оксидов серы и азота, а также диоксида углерода. 

«Надо сказать, что унифицированных технологий производства альтернативного топлива из древесной биомассы не существует, — поясняет Семен Сыродой. — Это обусловлено обширной группой значимых факторов (вид биомассы, технология сжигания топлива, объемы производства древесины и так далее), оказывающих существенное влияние на формирование всей цепочки технологического цикла: заготовка древесины — сортировка отходов по фракции и виду биомассы — предварительная термическая и механическая подготовка материала — производство биотоплива — сжигание. Для каждого сочетания этих технологических параметров необходимо проводить отдельные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке технологии производства топлива из древесной биомассы».

Результаты исследований томских ученых создают предпосылки для обоснования оптимального выбора формы частиц древесного биотоплива, сжигаемого в топочных устройствах котлов ТЭС. А определившись с формой частиц, можно будет переходить к разработке оборудования, проводящего механическую подготовку древесной биомассы к сжиганию.

Исследования проводятся при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Renewable Energy (Q1; IF:8,634).