Комплексная эффективность применения древесных гранул в энергоустановках = Complex Efficiency of Using Wood Pellets in Power Plants

В индустриально развитых странах для уменьшения воздействия «парниковых» газов на климат планеты активно поощряется замена ископаемого топлива биотопливом. однако побочные продукты заготовки, обработки и переработки древесины ввиду их высокой влажности, низкой энергетической плотности и крайне неоднородного гранулометрического состава относятся к трудносжигаемым видам топлива. Перспективным направлением повышения энергетической плотности и транспортабельных показателей побочных продуктов лесопромышленного комплекса является их гранулирование. Сжигание гранулированного топлива в теплогенерирующих установках позволяет значительно повысить их энергетические и экологические показатели. Цель работы – экспериментальное и расчетное исследование энергетических и экологических показателей водогрейных котлов мощностью 4 МВт фирмы Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH при сжигании полученных из побочных продуктов деревообработки древесных гранул из сосны и ели. В ходе исследования определены составляющие теплового баланса котлов, эмиссии газообразных выбросов и твердых частиц. С использованием программного продукта тpexмepнoгo мoдeлиpoвaния Ansys Fluent проведено численное моделирование термохимических и аэродинамических процессов, происходящих в топочной камере котла. оно в совокупности с промышленно-эксплуатационными испытаниями показало возможность снижения суммарной доли рециркуляции дымовых газов в топочные камеры котлоагрегатов до значений, не превышающих 0,45, при обеспечении допустимой температуры продуктов сгорания на выходе из камеры догорания и поддержании минимально низких эмиссий оксидов углерода и азота. При этом доля газов, подаваемых дымососами рециркуляции в надслоевую область топки, должна быть больше, чем доля подаваемых под наклонно-переталкивающие решетки котлов. Разработаны и внедрены рекомендации по комплексному повышению эффективности сжигания древесных гранул в топках водогрейных котлов мощностью 4 МВт. Первоочередными являются: использование воздуха, прошедшего по каналам охлаждения обмуровки, в качестве вторичного; снижение разрежения в топочных камерах до 30…70 Па; оптимизация соотношения первичного и вторичного воздуха, при этом доля первичного в общем расходе должна составлять 0,26–0,35. Внедрение разработанных рекомендаций позволило поднять КПД брутто котлов на 0,5…1,8 %, снизить аэродинамическое сопротивление газового тракта на 15…20 % и обеспечить стабильно низкие эмиссии оксидов углерода, азота и сажевых частиц. При проектировании котлоагрегатов для сжигания гранулированного древесного топлива целесообразно размещать в топочной камере поверхности нагрева, включенные в циркуляционный контур котла, что увеличит эффективность работы и жизненный цикл котлоагрегата. Для цитирования: Любов В.К., Владимиров А.М. Комплексная эффективность применения древесных гранул в энергоустановках // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 1. С. 159–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-159-172
In advanced countries, the dramatic impact of greenhouse gases on the global climate is reduced by replacing fossil fuels with biofuels. This method is being actively encouraged. However, by-products of logging, processing and conversion of wood are classified as difficult to burn fuels due to their high moisture content, low energy density and extremely heterogeneous granulometric composition. A promising direction to increase the energy density and transportability of the timber industry by-products is their granulation. Wood pellet fuel burning in heat-generating plants results in significant increase in their energy and environmental performance. The purpose of the paper is an experimental and calculation study of the energy and environmental performance of 4 MW hot water boilers produced by Polytechnik Luft- und Feuerungstechnik GmbH in the process of burning pine and spruce wood pellets obtained from by-products woodworking. When performing studies, the components of the boiler’s heat balance, gas release, and particulate emissions were determined. Numerical modeling of thermochemical and aerodynamic processes taking place in the boiler combustion chamber was carried out by using the Ansys Fluent three-dimensional simulation software. Together with industrial-operational tests it showed the possibility to reduce the total share of flue gas recirculation into combustion chambers of boiler units to values not exceeding 0.45, in providing an acceptable temperature of combustion products at the combustion chamber outlet and maintaining minimum emissions of carbon and nitrogen monoxides. At the same time, the share of gases fed by recirculation smoke exhausters to the over-bed area of the burner should have higher values than under the reciprocating grates of boilers. Guidelines for comprehensive improvement of wood pellet combustion efficiency in combustion chamber of 4 MW hot water boilers have been developed and implemented. The priorities are: using the air passed through the cooling channels of the setting as secondary air; reducing the rarefaction in the combustion chambers to 30–70 Pa; optimizing the ratio of primary and secondary air, herewith, the share of primary air in the total flow should be 0.26–0.35. Implementation of the developed guidelines allowed to increase the boiler gross efficiency by 0.5–1.8 %, to reduce the aerodynamic resistance of the gas path by 15–20 % and to ensure consistently low emissions of carbon and nitrogen monoxides and soot particles. When designing boiler units for burning wood pellet fuel it is advisable to place heating surfaces in the combustion chamber, included in the circulation circuit of the boiler. This will increase the efficiency and life cycle of the boiler unit. For citation: Lyubov V.K., Vladimirov A.M. Complex Efficiency of Using Wood Pellets in Power Plants. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 1, pp. 159–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-1-159-172.

Электронное издание «Комплексная эффективность применения древесных гранул в энергоустановках = Complex Efficiency of Using Wood Pellets in Power Plants» (бесплатно). Скачать номера в формате PDF.