Обоснование параметров древесноугольных смесей в качестве топлива котельных агрегатов

2
Обоснование соответствия темы диссертации специальности 05.14.04 – промышленная теплоэнергетика
Паспорт специальности 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика
Формула специальности:
Научная специальность, объединяющая исследования по совершенствованию промышленных теплоэнергетических систем, по разработке и созданию нового и наиболее совершенного теплотехнического оборудования. В рамках специальности ведется поиск структур и принципов действия теплотехнического оборудования, которые обеспечивают сбережение энергетических ресурсов, уменьшение энергетических затрат на единицу продукции, сбережение материальных ресурсов, направляемых на изготовление теплопередающего и теплоиспользующего оборудования, защиту окружающей среды.
Области исследований:
Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах
[1] Клименко А.В., Зорин В.М. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы. Справочник М.: МЭИ, 1999 — 528 с. / Под общ. ред. чл.- корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. — 3-е изд., перераб.
Теплотехника - отрасль науки и техники, охватывающая методы получения и использования тепловой энергии [1].
Диссертация посвящена разработке научных основ сбережения энергетических ресурсов (угля) в котельных установках промышленной теплоэнергетики (отходы лесопиления не являются ресурсом) путем частичной замены угля на древесную биомассу. Такая замена возможна только при обосновании рабочих параметров древесно-угольных смесей (в первую очередь времен термической подготовки).
Научные основы.

[1] Статистический ежегодник мировой энергетики, 2019
[2] 2017 Key World Energy Statistics http://www.iea.org/publications/freepublications/ 30. IEA.
3
Потребление электроэнергии в мире в период с 1990 года по 2018 год [1]
Доли различных источников в мировом производстве электроэнергии (2015 г.) [2]
Актуальность темы диссертации

4
[1] Stephan Heberlein, Wei Ping Chan, Andrei Veksha, Apostolos Giannis, Leena Hupa, Grzegorz Lisak. High temperature slagging gasification of municipal solid waste withbiomass charcoal as a greener auxiliary fuel. Journal of Hazardous Materials 423 (2022) 127057
[2] Paul Breeze. Chapter 4 - Combustion Plant Emissions: Sulfur Dioxide, Nitrogen Oxides, and Acid Rain. Electricity Generation and the Environment. 2017, 33-47
[3] Fabrizio Minichilli, Francesca Gorini, Elisa Bustaffa, Liliana Cori, Fabrizio Bianchi. Mortality and hospitalization associated to emissions of a coal power plant: A population-based cohort study. Science of The Total Environment, 694, 2019, 133757
Выбросы оксидов серы и азота причины кислотных дождей [2]
SO3 + H2O → H2SO4
(серная кислота)
4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3
(азотная кислота)
Радиоактивный фон вблизи золоотвалов выше, чем фон вблизи атомной станции [5]
Выбросы причина респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний [4]
Истощение озонового слоя Земли [6]
[4] Konstantin Kovler. Legislative aspects of radiation hazards from both gamma emitters and radon exhalation of concrete containing coal fly ash. Construction and Building Materials. 25, 2011, 3404-3409
[5] Margarita A. Dmitrienko, Pavel A. Strizhak. Coal-water slurries containing petrochemicals to solve problems of air pollution by coal thermal power stations and boiler plants: An introductory review. Science of The Total Environment, 613, 2018, 1117-1129
[6] A.K. Singh, Asheesh Bhargawa. Atmospheric burden of ozone depleting substances (ODSs) and forecastingozone layer recovery, Atmospheric Pollution Research, 10 (2019) 802-807
[7] Sijian Jiang, Xiangzheng , DengGang , LiuFan Zhang. Climate change-induced economic impact assessment by parameterizingspatially heterogeneous CO2 distribution. Technological Forecasting & Social Change 167 (2021) 120668
Большой объем золошлаковых отходов [1]
Проблемы угольно энергетики
Рост концентрации СО2 в атмосфере приводит к изменению климата[7]

[1] С.А. Янковский, Г. В. Кузнецов Особенности физико-химических превращений смесевых топлив на основе типичных каменных углей и древесины при нагреве. Химия твердого топлива 1 (2019) 26-33
5
Выбросы оксидов серы и азота при совместном сжигании угля с древесной биомассой
а
б
Концентрации выбросов при термическом разложении смесевых топлив на основе углей марок Д (а), Т (б); φ – доля древесины в топливе [1]
Основные вредные выбросы, образующиеся при сжигании угля
NOx
SOx
CO2

[1] Fouad Al-Mansour, Jaroslaw Zuwala. An evaluation of biomass co-firing in Europe. Biomass and Bioenergy 31 (2010) 620-629
6
ТЭС и ТЭЦ сжигающие уголь с добавками древесной биомассы
В пылевидном состоянии [1]
В кипящем слое [1]

7
ТЭС и ТЭЦ сжигающие уголь с добавками древесной биомассы
ЦКП [1]
[1] Fouad Al-Mansour, Jaroslaw Zuwala. An evaluation of biomass co-firing in Europe. Biomass and Bioenergy 31 (2010) 620-629

8
Проблема
В настоящее время отсутствует фундаментальное обоснование (по результатам экспериментов) основных параметров технологий сжигания угля совместно с древесной биомассой в топках котельных агрегатов промышленной теплоэнергетики.
При сжигании биомассы совместно с углем в топках водогрейных котлов возможно существенное сбережение топливных ресурсов и снижение антропогенной нагрузки предприятий промышленной теплоэнергетики (в первую очередь теплоэлектроцентралей и котельных) на окружающую среду.
Но пока такие технологии топливосжигания используются редко

9
Исследователи, изучавшие и изучающие процессы термической подготовки и горения древесно-угольных топлив:
В Российской
Федерации
В Мире

1.Разработка экспериментального стенда и методики эксперимента для исследований процессов термической подготовки древесно-угольных смесей.
2.Установление по результатам экспериментов основных закономерностей термической подготовки смесей измельченных угля и древесины.
3.Оценка степени влияния вида биомассы на основные характеристики термической подготовки композитных био-угольных топлив.
4.Установление влияния концентрации древесины и расположения частиц био-угольных топлив относительно друг друга на характеристики и условия их термической подготовки.
5.Определение наиболее перспективного (с целью минимизации времён термической подготовки) соотношения компонент в смеси уголь/древесина.
6.Обоснование возможности эффективного сжигания древесно-угольных смесей в условиях, соответствующих по тепловым режимам топкам водогрейных котлов промышленной теплоэнергетике.
10
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Обоснование возможности сбережения энергетических ресурсов и более эффективной защиты окружающей среды при работе объектов промышленной теплоэнергетики в результате использования в качестве топлив водогрейных котлов смесей на основе углей и древесины.
Цель работы

[1] S.V. Syrodoy, J.A. Kostoreva, A.A. Kostoreva, N.Y.Gutareva. Characteristics and conditions for ignition of bio-coal mixtures based on coal and forest combustible material. Journal of the Energy Institute, 93, 2019, 1978-1992
11
Рисунок 1. - Экспериментальный стенд по изучению процессов термической подготовки частиц угля и биомассы в условиях свободного падения в высокотемпературной среде [1]
Рисунок 2. - Схема приготовления древесно-угольных смесей
Древесно-угольная смесь
Методика экспериментального исследования характеристик и условия термической подготовки смесей измельченных древесины и угля в условиях, соответствующих топкам водогрейных котлов
1 – высокоскоростная видеокамера;
2 – распылитель частиц;
3- высокотемпературная печь;
4 - керамический полый цилиндр;
5– электрический нагреватель;
6 – терморегулятор,
7 - крепление высокоскоростной
видеокамеры,
8 – частицы топлива.

12
Рисунок 3. - Кадры типичной видеограммы процессов термической подготовки древесно-угольной смеси на основе березы при Т=1073 К [1]
Начало
теплового
воздействия
Момент
воспламенения
Нагретая поверхность керамического цилиндра
Частица угля
Частица древесины
[1] S.V. Syrodoy, J.A. Kostoreva, A.A. Kostoreva, N.Y.Gutareva. Characteristics and conditions for ignition of bio-coal mixtures based on coal and forest combustible material. Journal of the Energy Institute, 93, 2019, 1978-1992
Термическая подготовка смесей измельченных древесины и угля в условиях, соответствующих топкам водогрейных котлов
δ=0,03-0,05 mm
Характерный размер угольных частиц
δ=2 mm
Характерный размер древесных частиц

13
Таблица 1. Составы исследовавшихся древесно-угольных смесей [1]
Исследовавшиеся материалы
[1] S.V. Syrodoy, J.A. Kostoreva, A.A. Kostoreva, N.Y.Gutareva. Characteristics and conditions for ignition of bio-coal mixtures based on coal and forest combustible material. Journal of the Energy Institute, 93, 2019, 1978-1992

14
Первое защищаемое положение
Добавление 40% мелкодисперсной древесной биомассы (с характерным размером древесных частиц до 2 мм) снижает период термической подготовки био-угольной смеси (с характерным размером угольных частиц до 0,05 мм) до 45% при относительно низких температурах топочной среды (до 873 К) по сравнению с однородным углем.

Рисунок 4. Зависимости времён термической подготовки древесно-угольной смеси от температуры внешней среды при разных концентрациях компонент топлива [1]
15
Смесь угля и опилок березы:
1- 100/0%, 2 – 60/40%, 3 – 70/30%, 4 – 80/20%, 5 – 90/10%, 6 – 0/100%.
Смесь угля и опилок лиственницы:
1- 100/0%, 2 – 60/40%, 3 – 70/30%,
4 – 80/20%, 5 – 90/10%, 6 – 0/100%.
Смесь угля и опилок сосны:
1- 100/0%, 2 – 60/40%, 3 – 70/30%, 4 – 80/20%, 5 – 90/10%, 6 – 0/100%.
Времена термической подготовки древесно-угольных смесей на основе трех видов древесины
[1] S.V. Syrodoy, J.A. Kostoreva, A.A. Kostoreva, L.I .Asadullina. Ignition of wood and coal particle mixtures in conditions of steam and water boiler furnaces. Journal of the Energy Institute Available online 18 July 2019

16
Рисунок 5. Зависимости времён термической подготовки древесно-угольных смесей от температуры внешней среды (1 – сосна, 2 – береза, 3 – лиственница) при различных концентрациях компонентов в системе уголь/древесина:
а) 90/10; b) 80/20; c) 70/30; d) 60/40 [1]
[1] S.V. Syrodoy, J.A. Kostoreva, A.A. Kostoreva, L.I .Asadullina. Ignition of wood and coal particle mixtures in conditions of steam and water boiler furnaces. Journal of the Energy Institute 93 (2) 2020 443-449
а)
b)
c)
d)
Времена термической подготовки древесно-угольных смесей на основе трех видов древесины

17
Рисунок 6. Экспериментальный стенд для изучения процессов термической подготовки частиц угля и биомассы в условиях высокотемпературного нагрева [1]
1 – подставка для держателя;
2 – металлический держатель;
3 – табло управления;
4 – высокотемпературная печь;
5 – передвижная платформа;
6 – высокоскоростная
видеокамера;
7 – направляющая;
8 – частица древесины;
9 – частицы угля;
10 – держатель угольной частицы
Таблица 2. Теплофизические характеристики топлив.
Обозначения: Ср – удельная теплоемкость [Дж/(кг·K)], λ – теплопроводность [Вт/(м·К)], ρ – плотность [кг/м3], Vdaf- выход летучих веществ [%], Cг – содержание углерода [%], Qт – теплотворная способность [Дж/кг].
Методика экспериментального исследования влияния концентрации и взаимного положения частиц древесины и угля на характеристики процесса термической подготовки смеси
[1] G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy, A. A. Kostoreva, Zh. A. Kostoreva. Effect of concentration and relative position of wood and coal particles on the characteristics of the mixture ignition process. Fuel, 274, 2020, 117843

18
1
2
2
1
Рисунок 7. Типичные кадры процесса термической подготовки частиц древесины и угля при Tg=1073 К
1 – частица угля;
2 – частица древесины.
Появление пламени

19
Второе защищаемое положение
Минимальные времена термической подготовки угольных частиц зарегистрированы при температуре 873К для топливной смеси, концентрация угля в которой составляет 70-75%. Увеличение и снижение доли угля в смеси приводит к росту времени термической подготовки. При относительно высоких температурах (1073 – 1273К) времена термической подготовки от концентрации угля в смеси не зависят.

20
Рисунок 8. Времена термической подготовки в зависимости от температуры внешней среды при различной концентрации угля в смеси «уголь-древесина» [1]
Влияние концентрации и взаимного положения частиц древесины и угля на характеристики процесса термической подготовки смеси
[1] G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy, A. A. Kostoreva, Zh. A. Kostoreva. N.A.Nigay Effect of concentration and relative position of wood and coal particles on the characteristics of the mixture ignition process. Fuel, 274, 2020, 117843

[1] G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy, A. A. Kostoreva, Zh. A. Kostoreva. N.A.Nigay Effect of concentration and relative position of wood and coal particles on the characteristics of the mixture ignition process. Fuel, 274, 2020, 117843
21
Рисунок 9. Древесина/уголь 50/50 %
1 – частиц угля, 2 – частица древесины
Рисунок 10. Древесина/уголь 70/30 %
1-2 частицы угля, 3- частица древесины.
Рисунок 11. Древесина/уголь 80/20 %
1-4 частицы угля, 5- частица древесины
Рисунок 12. Древесина/уголь 90/10 %
1-9 частицы угля, 10- частица древесины
1
2
1
2
3
5
Влияние концентрации и взаимного положения частиц древесины и угля на характеристики процесса термической подготовки смеси

22
Рисунок 13. Времена термической подготовки частицы угля в зависимости от концентрации угольного топлива в системе «уголь-древесина»
[1] G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy, A. A. Kostoreva, Zh. A. Kostoreva. N.A.Nigay Effect of concentration and relative position of wood and coal particles on the characteristics of the mixture ignition process. Fuel, 274, 2020, 117843
Влияние концентрации и взаимного положения частиц древесины и угля на характеристики процесса термической подготовки смеси

23
Влияние расстояния между частицами древесины и угля на характеристики их совместной термической подготовки
Рисунок 14. Экспериментальный стенд для изучения процессов термической подготовки частиц угля и биомассы в условиях высокотемпературного нагрева [1]
1 – подставка для держателя;
2 – металлический держатель;
3 – табло управления;
4 – высокотемпературная печь;
5 – передвижная платформа;
6 – высокоскоростная
видеокамера;
7 – направляющая;
8 – частица древесины;
9 – частица длиннопламенного угля;
10 – держатель частицы угля.
[1] S.V. Syrodoy , G.V. Kuznetsov , Zh.A. Kostoreva, D.Yu. Malyshev, N.Y.Gutareva, The effect of the distance between wood and coal particles on the characteristics of their joint ignition under conditions of high-temperature radiation-convective heating. Journal of the Energy Institute, 97, 2021, 13-26

Рисунок 15. Типичные кадры процесса термической подготовки частиц древесины и угля при Tg=1073 К
1 – частица древесины; 2 – частица угля.
24
2 мм
7 мм
10 мм
1
1
1
2
2
2
1
2
0 сек
2,764 сек
2,772 сек
3,236 сек
3,304 сек
0,008 сек
0,048 сек
0 сек
2,966 сек
2,974 сек
4,1сек
4,148 сек
0,06 сек
0 сек
2,956 сек
2,948 сек
0,008 сек
0,008 сек
4,806 сек
4,861 сек
0,055 сек
0 сек
0 сек
1,43 сек
2,43 сек
3,71 сек
4,71 сек

25
Третье защищаемое положение
При массовом соотношении в топливной смеси 50/50 древесина/уголь времена термической подготовки частицы угля снижаются на 30-40% (по сравнению с однородным углем) при температуре окружающей среды 873К.

26
Рисунок 16. Зависимости времён термической подготовки частиц угля и древесной биомассы от температуры окружающей среды при различных вариантах расположения частиц: a) расстояние 2 мм; b) расстояние7 мм c) расстояние10 мм, где:
1 - одна частица угля, 2 – одна частицы древесины , 3 – частица угля при совместной термической подготовке древесина/уголь, 4 – частицы древесины при совместной термической подготовке древесина/уголь
a)
b)
c)
[1] S.V. Syrodoy , G.V. Kuznetsov , Zh.A. Kostoreva, D.Yu. Malyshev, N.Y.Gutareva, The effect of the distance between wood and coal particles on the characteristics of their joint ignition under conditions of high-temperature radiation-convective heating. Journal of the Energy Institute, 97, 2021, 13-26
Влияние расстояния между частицами древесины и угля на характеристики их совместной термической подготовки

27
Рисунок 17. Зависимости времён термической подготовки частицы угля (a) и древесины (б) от среднего расстояния между ними при разных температурах окружающей среды.[1]
а)
б)
[1] S.V. Syrodoy , G.V. Kuznetsov , Zh.A. Kostoreva, D.Yu. Malyshev, N.Y.Gutareva, The effect of the distance between wood and coal particles on the characteristics of their joint ignition under conditions of high-temperature radiation-convective heating. Journal of the Energy Institute, 97, 2021, 13-26
Времена термической подготовки зажигания угольных частиц при совместной термической подготовке частиц угля и древесины
Времена термической подготовки древесных частиц при совместной термической подготовке частиц угля и древесины
Влияние расстояния между частицами древесины и угля на характеристики их совместной термической подготовки

28
Четвертое защищаемое положение
Изменение влажности древесины в диапазоне от 10 до 45% приводит к росту времени термической подготовки для частиц осины почти в 11 раз (с 17,7 до 186,6 секунд), а для частиц сосны почти в 14 раз (с 19 до 261 секунд) при температуре окружающей среды 1273 К.

29
Влияние влажности на эффективность использования древесины как компоненты топлива в промышленной теплоэнергетике
Рисунок. 18. Зависимости времен термической подготовки древесных частиц от температуры внешней среды:
1 – насыщенная влагой частица кедра; 2 – сухая частица кедра; 3 – насыщенная влагой частица лиственницы; 4 – сухая частица лиственницы; 5 – насыщенная влагой частица сосны; 6 – сухая частица сосны; 7 – насыщенная влагой частица осины;8 – сухая частица осины. [1]
Рисунок. 19. Зависимость времен термической подготовки древесных частиц от их относительной влажности φ при температуре внешней среды Т=1073К:
1 – лиственница; 2 – сосна; 3 – осина; 4 – кедр;
I – влажность после камерной сушки, II – воздушно-сухая III – свежесрубленная [1]
Рисунок 20. Схема экспериментальной установки
1 – частица древесины; 2 – держатель частицы; 3 – металлическая игла; 4 – высокотемпературная печь; 5 – экран; 6 – подвижная площадка; 7 - высокоскоростная видео камера; 8 – платформа для передвижения подвижной площадки), 9 – прожектор; 10 - керамический цилиндр;
[1] Kostoreva Z.A., Malyshev D.Yu. Syrodoy S.V. Definition of wet wood particles ignition conditions and characteristics to increase the resource efficiency of heat power engineering. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering V 332. P. – 97-105.

Рисунок 21. Типичные кадры процесса термической подготовки частицы древесины при T=1073К : а – сухая частица; б – насыщенная влагой частиц
30
а
а
а
а
б
б
б
б
Кедр
Лиственница
Осина
Сосна
δ=5 mm
Характерный размер частиц

31
Термическая подготовка группы частиц древесной биомассы
Рисунок 22. Схемы расположения нескольких (двух, трех, четырёх) частиц в высокотемпературной газовой среде.
Рисунок 23. Типичные кадры процесса термической подготовки частиц древесины при T0=873 K [1]
[1] S.V. Syrodoy , G.V. Kuznetsov , Zh.A. Kostoreva, I.K. Zabrodina , D.Yu. Malyshev . Ignition of a group of the woody biomass particles. Thermal Science and Engineering Progress. 25, 2021, 101017
Рисунок 24. Держатель древесных частиц

32
Пятое защищаемое положение
Период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.

33
1
1
1
2
2
2
3
Рисунок 25. Зависимости времен термической подготовки частиц древесины от температуры внешней среды при разном числе частиц в группе:
1 – одна (а), 2 – две (c), 3 – три (d), 4 – четыре (3h) [1]
Рисунок 26. Зависимости времен термической подготовки двух частиц древесины от температуры внешней среды (c):
1- нижняя частица, 2- верхняя частица [1]
Рисунок 27. Зависимости времен термической подготовки древесины от температуры внешней среды (b):
1 – левая частица, 2 – правая частица [1]
Рисунок 28. Зависимости времен термической подготовки трех частиц древесины от температуры внешней среды (d).
1 – нижняя, 2 – средняя, 3 – верхняя [1]
[1] S.V. Syrodoy , G.V. Kuznetsov , Zh.A. Kostoreva, I.K. Zabrodina , D.Yu. Malyshev . Ignition of a group of the woody biomass particles. Thermal Science and Engineering Progress. V. 25, 2021, 101017
Термическая подготовка группы частиц древесной биомассы

34
Оценка экономического эффекта сжигания древесины совместно с углем (сбережение энергетических и материальных ресурсов)
По оценкам специалистов в сутки на территории Томска на предприятиях лесопиления после ленточного распила образуется около 300 м3 не сортированных (сосна, лиственница, береза, кедр) опилок. Средняя насыпная плотность древесных опилок колеблется в пределах 120-200 кг/м³ для сухих (8-15% влажности) и 320-580 кг/м³ для влажных (более 15% влажности) опилок.
Vbio=300‧365=109500 м3
Масса этих отходов:
Mbio= Vbio‧ρbio=109500‧300=32850000 кг= 32850 т/год
На территории г. Томска к началу 2022 году работает 18 угольных котлов малой мощности марки НР-18 и два котла марки «Сибирь» [1]
Расход угля по нормативам удельного расхода условного топлива на отпущенную тепловую энергию кг.у.т/Гкал всех котлов малой мощности в год cоставляет:
1) Dcoal1=365‧24‧226,9‧1,28=2544 184 кг/год
2) Dcoal2=365‧24‧230‧1,28=2578 944 кг/год
3) Dcoal3=365‧24‧229‧1,28=2567 731 кг/год
4) Dcoal4=365‧24‧232,7‧1,28=2609 218 кг/год
5) Dcoal5=365‧24‧225,7‧1,92=3796 093 кг/год
6) Dcoal6=365‧24‧234,4‧1,28=2628 280 кг/год
7) Dcoal789=365‧24‧159,6‧1,98=2768 230 кг/год
В сумме это: Dcoal=19463 т/год
Объем древесной биомассы на год для всех угольных котлов малой мощности г. Томска при условии замены 20% от общего расхода угля:
Dbio=19463‧0,2=3892,6 т/год
Нужно отметить, что реальное количество отходов предприятий лесопиления превышает требуемого на все котлы марки НР-18 в 8,5 раз.
Цена на внутреннем рынке РФ в зависимости от марки угля (фракции 5-20 мм) и удаленности от угледобывающих предприятий варьируется от 3200 до 6650 руб./т. [2]. Пример, цена каменного угля марки Д (фракции 5-20 мм) в г. Кемерово компании ООО «КемУглеСбыт» составляет 4500 руб./т. Следовательно, экономия на всех котельных за отопительный период:
S=3892,6‧4500=17516700 руб./год=17,5 млн руб./ год
Выполнен расчет объема Vbio отходов лесопиления 68 предприятий г. Томска за 2021 год :
[1] Локальные источники г. Томска [Электронный ресурс]. – https://tomskrts.ru/rts/haracteristiki-proizvodstvennih-moshnostey/
[2] Технические характеристики котла НР-18 [Электронный ресурс]. – https://kotel-kv.ru/kotel-nr-18.html

35
Оценка экономического эффекта сжигания древесины совместно с углем (сбережение энергетических и материальных ресурсов)
Но существенно более значимый эффект может быть достигнут при замене части угля на отходы лесопиления на ТЭЦ филиала АО «ОТЭК» в г. Северске. В состав ТЭЦ входит 4 котла типа ТП-230.
Расход топлива (уголь) в кг/ч котла ТП-230, при плотности каменного угля ρ=1500 кг/м3:
Dcoal=1100‧132=198000 кг/ч=198 т/ч
Расход топлива (уголь) в кг/ч для 4 котлов ТП-230:
D0=198‧4 =792 т/ч
Расход топлива (уголь) в кг/ч для 4 котлов ТП-230 в календарный год:
D=792‧365 =289080 т/год
Объем древесной биомассы на год для 4 паровых котлов ТЭЦ филиала АО «ОТЭК» в г. Северске при условии замены 10% от общего расхода угля:
Dbio=289080‧0,1=28908 т/год
Экономия за отопительный период:
S=2300‧28908=66488400 руб./год=66,5 млн руб./ год
Такой экономический эффект может быть достигнут с минимальными изменениями технологии сжигания топлива. Возможны разные варианты. Самый простой - при подаче угля в систему распыления топлива подмешивается 10% опилок, прошедших определенную сортировку.

36
При совместном сжигании угля и биомассы снижаются выбросы антропогенных оксидов NOx и SOx
а
б
Рисунок 29. Концентрации основных выбрасываемых антропогенных выбросов при термическом разложении смешанные виды топлива на основе:(а) уголь 2Б, (б) уголь 3Б;
(φ - доля древесины (сосна) в топливе) [1]
[1] Kuznetsov, G.V., Jankovsky, S.A., Tolokolnikov, A.A., Zenkov, A.V. Mechanism of Sulfur and Nitrogen Oxides Suppression in Combustion Products of Mixed Fuels Based on Coal and Wood, Combustion Science and Technology, Volume 191, Issue 11, 2019, Pages 2071-2081.
до 40% для
соотношения уголь
2Б / древесина 50/50% [1]
Оценка возможности снижения антропогенной нагрузки предприятий промышленной теплоэнергетики на окружающую среду в результате сжигания угля совместно с древесиной
до 60% для
соотношения уголь
3Б / древесина 50/50% [1]

37
[1] Кузнецов Г.В., Янковский С.А. Условия и характеристики зажигания композиционных топлив на основе угля с добавлением древесины, Теплоэнергетика, 2, 2019, 70-75 .
Оценка возможности снижение выхода твёрдых отходов при совместном сжигании угля с древесиной
Таблица 3. Результаты экспериментальных исследований по определению теплоты сгорания, влажности, зольности и выхода летучих веществ [1]
Добавление биомассы в котел, работающий на угле, оказывает лишь незначительное влияние на общий КПД электростанции, в основном зависящий от содержания влаги в биомассе [2].

38
Преимущества совместного сжигания угля с биомассой заключается в следующем:
Уже при концентрации биомассы 15-20% в древесно-угольной смеси существенно (до 40%) снижается содержание оксидов серы и азота в дымовых газах [1].
Увеличение концентрации древесины в древесно-угольной смеси до 50% снижает зольность смеси до 10,44% для длиннопламенного угля (15,76%) и до 11,08% для тощего угля (18,37%) [2].
Добавление 50% древесной биомассы (сосны) в качестве компоненты топлива к тощему углю снижает удельную теплоту сгорания топлива всего на 9,1% по сравнению с однородным углем [3].
[1] Kuznetsov, G.V., Jankovsky, S.A., Tolokolnikov, A.A., Zenkov, A.V. Mechanism of Sulfur and Nitrogen Oxides Suppression in Combustion Products of Mixed Fuels Based on Coal and Wood, Combustion Science and Technology, Volume 191, Issue 11, 2019, Pages 2071-2081
[2] Кузнецов Г.В., Янковский С.А. Условия и характеристики зажигания композиционных топлив на основе угля с добавлением древесины, Теплоэнергетика, 2, 2019, 70-75 .
[3] Янковский С.А, Кузнецов Г.В. Особенности физико-химических превращений смесевых топлив на основе типичных каменных углей и древесины при нагреве, Химия твердого топлива, 1, 2019, 26-33.

39
Совместное сжигание угля с древесиной обеспечивает возможность снижения радиоактивности золы угольных ТЭЦ и котельных (снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду) предприятий промышленной теплоэнергетики
Таблица 4. Результаты экспериментальных исследований по определению теплоты сгорания, влажности, зольности и выхода летучих веществ [2]
По данным [1], выбросы газообразных радиоактивных изотопов 220Rn и 222Rn, не улавливаемых действующими системами очистки ТЭС, составляют около 6·1010 Бк/ГВт (эл) год
Радиоактивный фон угольных ТЭС в 5-10 раз выше, чем для АЭС [3]
[1] Акимов А.М., Ковалев Н.И. // Збірник наукових праць СНУЯЕтаП ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА. 2009. С.70.
[2] Тихонов М.Н., Муратов О.Э. // Экология промышленного производства. 2009. № 4. С. 40
[3] Коваленко Г.Д., Пивень А.В. // Ядерна та радiацiйна безпека. 2010. № 4(48). С.50.

40
Рекомендации по практическому использованию результатов диссертации
При выборе режимов и условий сжигания древесно-угольных смесей в топках водогрейных котлов необходимо учитывать, что время термической подготовки (индукционный период) большой совокупности частиц смеси в несколько раз (2-3) меньше аналогичных времён для одиночной частицы.
В связи с тем, что вид древесины не влияет на условия и характеристики процесса термической подготовки древесно-угольной смеси к сжиганию в топках водогрейных котлов, при выборе условий сжигания древесной компоненты древесно-угольных смесей можно использовать экспериментальные данные по любому из реально возможных вариантов видов древесины.
Вследствие того, что влажность древесины влияет существенно условия и характеристики процессов термической подготовки древесно-угольных смесей к сжиганию, влажность древесины необходимо контролировать и обеспечивать возможность регулирования влажности древесно-угольных смесей перед их сжиганием.
При подготовке древесной компоненты к сжиганию нет необходимости дополнительного измельчения частиц древесины с начальным характерным размером до трех миллиметров.
Сжигание древесно-угольных смесей в топках водогрейных котлов возможно без реконструкции топок последних.

41
Основные результаты и выводы
По результатам впервые проведенных экспериментальных исследований процессов термической подготовки частиц типичных углей и древесины в смеси установлены основные закономерности исследовавшихся процессов (условия, механизмы и характеристики термической подготовки смеси частиц угля и древесины).
Разработана методика экспериментального исследования процессов термической подготовки счетного количества частиц угля и древесины в смеси.
Разработаны методики экспериментального исследования влияния концентрации биомассы в древесно-угольных смесях на время термической подготовки.
Впервые экспериментально установлено влияние концентрации биомассы (от 10% до 50%) в древесно-угольных смесях на время термической подготовки последних.
Добавление 40% мелкодисперсной древесной биомассы (с характерным размером древесных частиц до 2 мм) снижает период термической подготовки био-угольной смеси (с характерным размером угольных частиц до 0,05 мм) до 45% при относительно низких температурах топочной среды (до 873 К) по сравнению с однородным углем.
Установлено перспективные соотношение концентраций компонент в системе уголь/древесина - 70/30 (по критерию минимизации времени термической подготовки).
При массовом соотношении в топливной смеси 50/50 древесина/уголь времена термической подготовки частицы угля снижаются на 30-40% (по сравнению с однородным углем).
Минимальные времена термической подготовки угольных частиц зарегистрированы при температуре 873 К для топливной смеси, концентрация угля в которой составляет 70-75%. Увеличение и снижение доли угля в смеси приводит к росту времени термической подготовки. При относительно высоких температурах (1073 – 1273 К) времена термической подготовки от концентрации угля в смеси не зависят.

42
Вид древесной биомассы оказывает несущественное влияние на характеристики термической подготовки древесно-угольной смеси.
Изменение влажности древесины в диапазоне от 10 до 45% приводит к росту времени термической подготовки для частиц осины почти в 11 раз (с 17,7 до 186,6 секунд), а для частиц сосны почти в 14 раз (с 19 до 261 секунд) при температуре окружающей среды 1273 К.
Период термической подготовки любой совокупности частиц древесины происходит интенсивнее аналогичных процессов одиночной частицы в идентичных условиях.
Обоснована возможность эффективного сжигания древесно-угольных смесей в топочных условиях водогрейных котлов промышленной теплоэнергетики.
Основные результаты и выводы

СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ!

Томск 2022
Соискатель: Косторева Ж. А.
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Кузнецов Г. В.
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
05.14.04 Промышленная теплоэнергетика
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

44
Публикации:
Статьи в международных научных журналах, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Scince»
Kostoreva, J. A. Ignition of wood and coal particle mixtures in conditions of steam and water boiler furnaces / S.V. Syrodoy, J.A. Kostoreva, A.A. Kostoreva, L.I.Asadullina // Journal of the Energy Institute. – 2020. – V. 93. – p. 443-449.
Kostoreva, Zh. A. Effect of concentration and relative position of wood and coal particles on the characteristics of the mixture ignition process / G. V. Kuznetsov, S. V. Syrodoy, A. A. Kostoreva, Zh. A. Kostoreva, N.A.Nigay // Fuel. – 2020. – V. 274. – p. 117843.
Kostoreva, Zh. A. Characteristics and conditions for ignition of bio-coal mixtures based on coal and forest combustible material / S.V. Syrodoy, G. V. Kuznetsov, N. Y. Gutareva, Zh. A. Kostoreva, A. A. Kostoreva, N. A. Nigay // Journal of the Energy Institute. – 2020. – V. 93. – p. 1978-1992.
Kostoreva, Zh. A. Ignition of a group of the woody biomass particles / S. V. Syrodoy , G. V. Kuznetsov , Zh. A. Kostoreva, I. K. Zabrodina , D. Yu. Malyshev // Thermal Science and Engineering Progress. – 2021. – V. 25. - p. 101017.
Kostoreva, Zh. A. The effect of the distance between wood and coal particles on the characteristics of their joint ignition under conditions of high-temperature radiation-convective heating / S. V. Syrodoy, G. V. Kuznetsov, Zh. A. Kostoreva, D. Yu. Malyshev, N. Y. Gutareva // Journal of the Energy Institute. – 2021. – V. 97. – p. 13-26.
Статьи из Перечня ВАК рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук:
Kostoreva, Z. A. Definition of wet wood particles ignition conditions and characteristics to increase the resource efficiency of heat power engineering / Z. A. Kostoreva, D. Yu. Malyshev, S. V. Syrodoy // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering. – 2021. – V.332. – p. 97-105.

45
Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых ученых «XXXV Сибирский теплофизический семинар», посвященная 75 – летию заслуженного деятеля науки РФ Терехова Виктора Ивановича (Новосибирск, 2019);
XVI Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Новосибирск, 2020);
XI Всероссийская конференция с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2021);
XII Семинар вузов по теплофизике и энергетике (Сочи, 2021);
VIII Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических» (Томск, 2019);
IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2020);
X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2021);
Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2019);
Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2021);
I Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения» (Томск, 2021).
Апробация работы:

4+
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования проводились в рамках выполнения работ по проектам:
Российского научного фонда (РНФ): 18-79-10015 «Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины применительно к камерам сгорания котельных агрегатов». 18-79-10015-п «Разработка основных элементов теории процессов термической подготовки, воспламенения и горения смесевых топлив на основе угля и древесины применительно к камерам сгорания котельных агрегатов».
Государственных заданий: Гос. задания "Наука" проект № FSWW-2020-0022. Гос. задания "Наука" проект № 8.13264.2018/8.9

Паспорт специальности
05.14.04 Промышленная теплоэнергетика
Формула специальности:
Научная специальность, объединяющая исследования по совершенствованию промышленных теплоэнергетических систем, по разработке и созданию нового и наиболее совершенного теплотехнического и теплового технологического оборудования. В рамках специальности ведется поиск структур и принципов действия теплотехнического оборудования, которые обеспечивают сбережение энергетических ресурсов, уменьшение энергетических затрат на единицу продукции, сбережение материальных ресурсов, направляемых на изготовление теплопередающего и теплоиспользующего оборудования, защиту окружающей среды.
Области исследований:
Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках.
Оптимизация схем энергетических установок и систем для генерации и трансформации энергоносителей, основанных на принципах их комбинированного производства.
Теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло. Совершенствование методов расчета тепловых сетей и установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, экономии энергетических ресурсов.
Разработка новых конструкций теплопередающих и теплоиспользующих установок, обладающих улучшенными эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками.
Оптимизация параметров тепловых технологических процессов и разработка оптимальных схем установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции в технологических процессах.
Разработка и совершенствование аппаратов, использующих тепло, и создание оптимальных тепловых систем для защиты окружающей среды.
Разработка теоретических аспектов и методов интенсивного энергосбережения в тепловых технологических системах.
Разработка теоретических основ создания малоотходных и безотходных тепловых технологических установок.

48
[1] Jing Xu, Min Zhou, Hailong Li. The drag effect of coal consumption on economic growth in China. during 1953–2013. Resources, Conservation and Recycling. 129 (2018) 326–332.
[2]. Coal Information 2000-2018 // International Energy Agency Statistics, OECD/IEA, 2018
[3] Кондратьев В.Б. Глобальный рынок угля. М.: Горная промышленность.– 2017. – №2. - с. 17-23
Динамика использования угля
Динамика потребления угля и роста
ВВП в Китае с 1953 по 2013 год [1]
Добыча угля по типу в Мире 1990-2017 [2]
Антрацит
Бурый уголь
Каменный уголь
Каменноугольный кокс
Потребление всего угля в основных странах мира в период с 2000 по 2017 г. [3]

49
Нетрадиционные источники энергии
Гидроэнергетический потенциал всех полноводных рек на настоящее время практически исчерпал себя
Выбросы парниковых газов [1]
ГЭС
[1] Anabela Botelho, Paula Ferreira, Fátima Lima, Lígia M. Costa Pinto, Sara Sousa. Assessment of the environmental impacts associated with hydropower. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 70 (2017) 896-904
[2] Hoseok Nam, Satoshi Konishi, Ki-Woo Nam. Comparative analysis of decision making regarding nuclear policy after the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant Accident: Case study in Germanyand Japan. Technology in Society 67 (2021) 101735
[3] Shashi Kant Bhatia, Akshaya K. Palai, Amit Kumar, Ravi Kant Bhatia, Anil Kumar Patel,Vijay Kumar Thakur, Yung-Hun Yang. Trends in renewable energy production employing biomass-based biochar. Bioresource Technology. 340 (2021) 125644
[4] Enas Taha Sayed, Tabbi Wilberforce, Khaled Elsaid, Malek Kamal Hussien Rabaia, Mohammad Ali Abdelkareem, Kyu-Jung Chae, A.G. Olab. A critical review on environmental impacts of renewable energy systemsand mitigation strategies: Wind, hydro, biomass and geothermal. Science of the Total Environment 766 (2021) 144505
АЭС
Тепловое загрязнение окружающей среды;
Утечка радиоактивности (радиоактивные выброс и сбросы);
Транспортировка радиоактивных отходов;
Тяжелые последствия аварий [2].
Солнечные
панели
Ветряные
электростанции
Высокая стоимость
Нестабильность (ночное время, пасмурные и дождливые дни)
Высокая стоимость аккумулированной энергии [3]
Неустойчивость (непостоянство и нерегулируемость ветрового потока);
Высокая стоимость;
Опасность для дикой природы;
Шумовое загрязнение [4]

[1] Lucio Lucadamo, Luana Gallo, Anna Corapi. Power plants: The need for effective bio-monitoring of the contribution of bio(wood) fuelled stations to atmospheric contamination. Atmospheric Pollution Research. Available online 18 September 2019
[2] REN21Global status report https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/08/Full-Report-2018 (2018), Accessed 8th Oct 2018
Google Scholar
50
Мировое производство древесных гранул увеличилось в период
2000–2015 гг.
с 1,7 млн. Тонн до 36,2 млн. Тонн [1] (в 21 раз)
Общая тенденция производства биоэнергии с 2007 по 2017 год: ROW = Остальной мир, SA = Южная Америка, NA = Северная Америка, EU = Европейский союз [2]
Запасов в России 82 млрд. м3

51
Тополь быстро растет и выделяет довольно много кислорода. В идеальных условиях некоторые сорта могут вырасти до 5 м за сезон в первый год (скорость роста практически сравним со скоростью роста бамбука) [1]
[1] Zhaofei Wu, Chunyu Fan, Chunyu Zhang, Xiuhai Zhao, Klaus von Gadow. Effects of biotic and abiotic drivers on the growth rates of individual treesin temperate natural forests. Forest Ecology and Management 503 (2022) 119769

Таблица 1 - Погрешности средств измерений (систематическая погрешность)
Методом статистической обработки случайной величины:
Погрешность (неопределенность) серии измерений времен задержки зажигания при доверительной вероятности α=0,95 не превышала 12%.
Погрешности измерений
Промахи (грубые ошибки) исключались сразу.

Прямое совместное сжигание является наименее дорогим, наиболее простым и наиболее часто применяемым подходом. Биомасса и уголь сжигаются в топке угольного котла с использованием одних и тех же или отдельных мельниц и горелок [1].
[1] Fouad Al-Mansour, Jaroslaw Zuwala. An evaluation of biomass co-firing in Europe. Biomass and Bioenergy 31 (2010) 620-629

Стальной секционный трубчатый котёл НР-18
Поперечный разрез котла НР-18 с пакетом из прямых труб
Продольный разрез котла НР-18
Запальная горелка

Паровой котел ТП-230
Продольный разрез парового котла ТП-230