О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём

Проанализированы недостатки известных методов диагностики процессов дефлюидизации в кипящем слое при сжигании в нем биомассы. Предложен метод диагностирования указанного процесса по изменению безразмерной амплитуды пульсации перепада давления в слое....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Исьемин, Р.Л., Кузьмин, С.Н., Зорин, А.Т., Вирясов, Д.М., Зайченко, В.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2010
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Использование и сжигание топлива
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60606
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём / Р.Л. Исьемин, С.Н. Кузьмин, А.Т. Зорин, Д.М. Вирясов, В.М. Зайченко // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 5. — С. 58-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-60606
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-606062014-04-18T03:01:26Z О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём Исьемин, Р.Л. Кузьмин, С.Н. Зорин, А.Т. Вирясов, Д.М. Зайченко, В.М. Использование и сжигание топлива Проанализированы недостатки известных методов диагностики процессов дефлюидизации в кипящем слое при сжигании в нем биомассы. Предложен метод диагностирования указанного процесса по изменению безразмерной амплитуды пульсации перепада давления в слое. Проаналізовано недоліки відомих методів діагностики процесів дефлюідизації в киплячому шарі при спалюванні в ньому біомаси. Запропоновано метод діагностування зазначеного процесу по зміні безрозмірної амплітуди пульсації перепаду тиску в шарі. Analyzed the shortcomings of known methods of diagnosis processes defluidization in the fluidized bed combustion of biomass in it. Developed method of diagnosing this process to change the dimensionless amplitude of the pulsations of the pressure drop in the bed. 2010 Article О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём / Р.Л. Исьемин, С.Н. Кузьмин, А.Т. Зорин, Д.М. Вирясов, В.М. Зайченко // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 5. — С. 58-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60606 62-614 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Использование и сжигание топлива Использование и сжигание топлива
spellingShingle	Использование и сжигание топлива Использование и сжигание топлива Исьемин, Р.Л. Кузьмин, С.Н. Зорин, А.Т. Вирясов, Д.М. Зайченко, В.М. О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём Промышленная теплотехника
description	Проанализированы недостатки известных методов диагностики процессов дефлюидизации в кипящем слое при сжигании в нем биомассы. Предложен метод диагностирования указанного процесса по изменению безразмерной амплитуды пульсации перепада давления в слое.
format	Article
author	Исьемин, Р.Л. Кузьмин, С.Н. Зорин, А.Т. Вирясов, Д.М. Зайченко, В.М.
author_facet	Исьемин, Р.Л. Кузьмин, С.Н. Зорин, А.Т. Вирясов, Д.М. Зайченко, В.М.
author_sort	Исьемин, Р.Л.
title	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём
title_short	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём
title_full	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём
title_fullStr	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём
title_full_unstemmed	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём
title_sort	о выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Использование и сжигание топлива
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60606
citation_txt	О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём / Р.Л. Исьемин, С.Н. Кузьмин, А.Т. Зорин, Д.М. Вирясов, В.М. Зайченко // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 5. — С. 58-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT isʹeminrl ovyboremetodovdiagnostirovaniâprocessovdeflûidizaciivsloeprisžiganiibiomassyvtomčislesovmestnosuglëm AT kuzʹminsn ovyboremetodovdiagnostirovaniâprocessovdeflûidizaciivsloeprisžiganiibiomassyvtomčislesovmestnosuglëm AT zorinat ovyboremetodovdiagnostirovaniâprocessovdeflûidizaciivsloeprisžiganiibiomassyvtomčislesovmestnosuglëm AT virâsovdm ovyboremetodovdiagnostirovaniâprocessovdeflûidizaciivsloeprisžiganiibiomassyvtomčislesovmestnosuglëm AT zajčenkovm ovyboremetodovdiagnostirovaniâprocessovdeflûidizaciivsloeprisžiganiibiomassyvtomčislesovmestnosuglëm
first_indexed	2025-07-05T11:39:12Z
last_indexed	2025-07-05T11:39:12Z
_version_	1836806887249543168
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №558 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА УДК 62-614 Исьемин Р.Л.1, Кузьмин С.Н.1, Зорин А.Т.1, Вирясов Д.М.1, Зайченко В.М.2 1Тамбовский государственный технический университет 2Объединенный институт высоких температур РАН О ВЫБОРЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕФЛЮИДИЗАЦИИ В СЛОЕ ПРИ СЖИГАНИИ БИОМАССЫ, В ТОМ ЧИСЛЕ, СОВМЕСТНО С УГЛЁМ Проаналізовано недоліки відо- мих методів діагностики процесів дефлюідизації в киплячому шарі при спалюванні в ньому біомаси. Запропоновано метод діагносту- вання зазначеного процесу по зміні безрозмірної амплітуди пульсації перепаду тиску в шарі. Проанализированы недостат- ки известных методов диагностики процессов дефлюидизации в кипя- щем слое при сжигании в нем био- массы. Предложен метод диагности- рования указанного процесса по изменению безразмерной амплиту- ды пульсации перепада давления в слое. Analyzed the shortcomings of known methods of diagnosis processes defluidization in the fluidized bed combustion of biomass in it. Developed method of diagnosing this process to change the dimensionless amplitude of the pulsations of the pressure drop in the bed. N – количество измерений перепада давления; p – давление; S – безразмерный параметр; t – время; T – температура; x – содержание соломенных гранул в смеси; Δp – перепад давления; d – безразмерная амплитуда пульсации перепада давления; s – отклонение пульсации перепада давления. Индексы нижние: i – текущее значение перепада давления; m – среднее значение; над – надслоевое пространство; сл – слой. Котлы и топочные устройства с кипящим слоем получают все большее распространение из-за возможности эффективного сжигания различных сортов углей (в том числе и низко- го качества), биомассы и отходов, причем, с минимальным загрязнением окружающей сре- ды. В котлах такой конструкции за счет воз- можности поддерживания во всем объеме то- плива одинаковой температуры, интенсивного отвода тепла с омываемых слоем поверхностей теплообмена, можно избежать образования агломератов и расплавления золы и инертных частиц. Однако это удается далеко не всегда, т.к. некоторые виды биомассы (к примеру, со- лома и иные отходы растениеводства) имеют очень низкую температуру плавления золы. При сжигании таких топлив, в том числе со- вместно с углем, в слое образуются крупные агломераты спекшихся частиц топлива, золы и инертного материала. Минимальная ско- рость псевдоожижения для слоя с такими ча- стицами увеличивается, начинается процесс дефлюидизации слоя, приводящий к полной остановке котла или топки. Более деталь- ный анализ процесса дефлюидизации можно найти в работах [1–3]. Кроме того, оказыва- ется, что, если данный вид биомассы (к при- меру, соломы) при сжигании в кипящем слое способен образовывать агломераты, то зола этой биомассы отлагается на конвективных по- верхностях нагрева, интенсифицируя процессы коррозии [4]. Целью настоящей работы является выбор оптимального метода диагностики процесссов дефлюидизации в кипящем слое при сжигании в нем биомассы, в том числе совместно с углем. Подобная цель ставилась во многих рабо- тах, однако, по нашему мнению, эффективных методов диагностики процессов дефлюидиза- ции пока не было предложено. Так в работе [5] предложено определять начало дефлюидизации по изменениям пере- пада давления в слое и температуры слоя и надслоевого пространства. В эксперимен- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №5 59 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА тальной установке в различных инертных ма- териалах сжигали кору осины влажностью 6,27 %, содержащей 205 мг/г соединений на- трия и 3995 мг/г соединений калия. Как вид- но из рис. 1, дефлюидизация слоя инертного материала начинается примерно через 60 ми- нут после подачи биомассы в слой. Дефлюиди- зация сопровождается резким ростом темпера- туры слоя (от 870 °С в состоянии нормального псевдоожижения до 1000 °С при дефлюидиза- ции). Температура надслоевого пространства при этом практически не меняется. Интересно, что перепад давления в слое начинает снижать- ся примерно за 30 минут до начала дефлюиди- зации, определяемой по температуре слоя. Аналогичные методы по диагностике дефлюидизации в циркулирующем кипящем слое при сжигании в нем соломенных гранул применены в работе [6]. Опыты проводились в экспериментальной установке, топка кото- рой имела диаметр 0,3 м и высоту 7,5 м. Тем- пература слоя менялась в диапазоне от 793 до 843 °С. Дефлюидизация в таком слое наступа- ла через 3,5 часа после начала опыта и сопро- вождалась резким ростом температуры слоя во всех точках измерения. Затем наблюдалось резкое падение температуры слоя из-за прекра- щения горения. Возобновление горения было возможно только после удаления агломератов и восстановления подвижности частиц слоя. Очевидно, что полностью удалить агломераты из слоя не удается, поэтому следующая дефлю- идизация наступала уже через 1 час после воз- обновления опыта. Рассмотренные выше методы диагностики дефлюидизации позволяют идентифицировать этот процесс тогда, когда он уже принял необ- ратимый характер. Оригинальный метод диагностики деф- люидизации предложен в работе [7]. В основу метода положено предположение, что все про- цессы, связанные с перемещением потоков газа и твердых частиц в слое, обусловлены обра- зованием, подъемом и разрушением газовых пузырей, их размерами и частотой, с которой происходит образование и разрушение. Пере- мещение и разрушение газовых пузырей вы- зывают колебания перепада давления в слое, которые легко зафиксировать. При изменении фракционного состава частиц слоя, размеры пузырей, частота их образования и разрушения меняются, что отражается на статистических характеристиках случайного процесса изме- нения перепада давления в слое. Таким обра- Рис. 1. Изменение температуры слоя, надслоевого пространства и перепада давления в кипящем слое инертного материала при сжигании в нем осиновой коры [5]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №560 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА зом, если в слое будут образовываться агломе- раты и увеличиваться размер частиц, то это должно найти отражение в изменении упо- мянутых статистических характеристик. По- скольку изменение фракционного состава слоя происходит непрерывно, то случайный процесс изменения перепада давления в слое не явля- ется стационарным и для его анализа пред- лагается использовать не обычный метод быстрой сходимости рядов Фурье, а метод Вигнера [8]. К сожалению, эксперименталь- ная проверка предложенного метода диагнос- тики проводилась только на так называемой «холодной модели» (при комнатной темпера- туре) со слоем песка (средний диаметр частиц 0,2 мм), в который добавлялись крупные частицы песка (диаметром 1,2 мм). По мне- нию авторов эти крупные частицы должны исполнять роль агломератов, образующихся при сжигании в кипящем слое биомассы. Было установлено, что действительно, с добавлением крупных частиц в слой мелких, статистические характеристики случайного процесса флук- туации перепада давления в слое значительно меняются, но в том случае, если доля крупных частиц в слое не превышает 20 %, а число псев- доожижения не превышает 4. Результаты анализа процесса флуктуа- ций перепада давления в слое для диагнос- тики процессов дефлюидизации предложе- но использовать и в работах [9, 10]. В этих и в ряде других работах излагаются принципы разработанной авторами системы раннего рас- познавания агломерации (EARS). Согласно этой системе через определенные промежутки времени измеряются пульсации перепада дав- ления в слое, рассчитываются их статистиче- ские характеристики, которые сопоставляются с помощью особым образом рассчитываемого критерия S [11]. Если критерий S < 3, кипящий слой работает в стационарном режиме, если S > 3 – имеют место значительные отклонения в характере флуктуаций перепада давления в слое, которые позволяют говорить о нача- ле дефлюидизации. Система EARS была про- верена авторами на «холодной» модели и на действующем котле с топкой пузырькового и циркулирующего кипящего слоев. Очевиден ряд недостатков предложенной системы: 1) сложность расчета критерия S, 2) зависимость точности функционирования системы от вида сжигаемого топлива. То есть при сжигании одного вида топлива (авторы обозначают его как топливо «А» не указывая его характерис- тики), действительно, при достижении крите- рием S значений S > 3 в слое начинается про- цесс дефлюидизации, причем система EARS позволяет диагностировать этот процесс на 40 минут раньше, чем начинается значитель- ный рост температуры слоя. При сжигании же других видов топлива (рис. 2) критерий S > 3 в отдельные промежутки наблюдений, но деф- люидизация не наблюдается. Рис. 2. Эффективность системы EARS при лабораторном псевдоожижении топлива «А». На наш взгляд диагностика процессов деф- люидизации может быть выполнена на основе анализа флуктуаций перепада давления в слое, но анализ должен быть построен на сравнении легко рассчитываемых характеристик, таких как безразмерная амплитуда пульсации перепа- да давления в слое. Нами были проведены эксперименты на «холодной» модели слоя, состоящего из ча- стиц антрацитового штыба (плотность частиц ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №5 61 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА 1400 кг/м3, доля частиц размером до 1,5 мм – 88,36 %, доля частиц крупнее 1,5 мм – 11,64 %, причем доля частиц размером боль- ше 4 мм – 1,59 %) и гранул из соломы (плот- ность 1190 кг/м3, диаметр 6 мм, отношение диаметра к средней длине гранулы – 0,59). Экс- перименты проводились в аппарате попереч- ного сечения 185×495 мм при изменении вы- соты слоя в интервале 100...350 мм. Скорость воздуха измерялась на выходе из аппарата термоанемометром типа HD 2103-2 с зондом AP 471-S 3. Измерение перепада давления в слое производилось с помощью дифференци- ального микроманометра Testo-525. Импульс- ная трубка в виде иглы с внутренним диамет- ром 0,5 мм и длиной 60 мм размещалась в непосредственной близости от воздухораспре- делительной решетки. Микроманометр был соединен с иглой силиконовой трубкой вну- тренним диаметром 4 мм и длиной 200 мм. Цифровой сигнал от микроманометра Testo-525 подавался на персональный компью- тер. Эксперимент продолжался 60 секунд, в те- чение которых перепад давления в слое изме- рялся 1200 раз. Доля гранул в слое в каждом новом опыте последовательно увеличивалась с 10 до 100 %. Известно [12], что образование агломератов происходит из-за спекания частиц слоя с ча- стицам биомассы. Поэтому, увеличение доли гранул соломы в слое моделировало увеличе- ние количества агломератов при непрерывном вводе в слой свежих гранул. В результате статистической обработки по- лученых данных по пульсации перепада дав- ления в слое известными методами определя- лись: среднее значение перепада давления в слое за время наблюдения, среднеквадратичное отклонение пульсации перепада давления, без- размерная амплитуда пульсации перепада дав- ления: математическое ожидание случайного процесса (среднее значение перепада давления в слое за время наблюдения): Рm = Σ Pi /N, (1) среднеквадратичное отклонение пульсации пе- репада давления σ = [Σ (Pi – Pm)2/N] 1/2, (2) безразмерная амплитуда пульсации перепада давления: δ = σ/Pm. (3) На графиках (рис. 3) представлено измене- ние безразмерной амплитуды пульсации пере- пада давления в слое от содержания в смеси соломенных гранул и скорости воздуха, отне- сенной к поперечному сечению пустого аппа- рата. Резкое уменьшение значений δ наблю- дается при доле соломенных гранул в смеси ≥ 50 %. В этом случае, очевидно, происходит уменьшение частоты образования и разруше- ния газовых пузырей, что может привести к снижению подвижности частиц и, в конечном итоге, к дефлюидизации слоя. Рис. 3. Зависимость безразмерной амплитуды перепада давления в слое Δδ от содержания в смеси соломенных гранул при различных скоростях. Необходимо отметить, что при наличии в слое от 50 % гранул и более, слой остается псевдоожиженным и имеется время для созда- ния условий повышения подвижности частиц в слое. Как следует из рис. 3, подвижность ча- стиц может быть восстановлена или за счет ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №562 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА введения в слой дополнительной порции мел- кодисперсного угля (или инертных частиц, т.е. частиц песка, к примеру) и снижения доли гранул или за счет увеличения числа псевдо- ожижения, т.е. повышения скорости газа в слое. Очевидно, что второй вариант подавления дефлюидизации осуществить сложнее, т.к. уве- личение скорости газа в слое при сжигании топлива возможно только за счет увеличения расхода дутьевого воздуха, что приведет к уве- личению уноса топлива из слоя и росту потерь тепла с уходящими газами. Предложенный метод диагностики процес- сов дефлюидизации в слое при сжигании в нем биомассы нуждается в уточнении и экспери- ментальной проверке, в частности, предстоит уточнить необходимую периодичность замеров пульсации перепада давления в слое. Работа выполнена при поддержке Феде- рального агентства по образованию (госу- дарственный контракт № П1661). ЛИТЕРАТУРА: 1. Lin W., Dam-Johansen K., Frandsen F. Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors // Chemical Engineering Journal. – 2003. – 96. – p. 171–185. 2. Öhman M., Nordin A., Skrifvars B.-J., Backman R., Hupa M. Bed agglomeration characteristics during fluidized bed combustion of biomass fuels // Energy and Fuels. – 2000. – 14. – p. 169–178. 3. Olofsson G., Ye Z., Bjeri I., Andersson A. Bed agglomeration problems in fluidized bed biomass combustion // Ind. Eng. Chem. Res. – 2002. – 41. – p. 2888–2894. 4. Vesna B., Edgardo C.Z., Sarkki. J. Prediction of agglomeration, fouling and corrosion tendency of fuels in CFB co-combustion // 20th International conference on fluidized bed combustion. – 2009. – p. 416–421. 5. Hiltunen M., Almark M. Defluidization time of different materials in fluidized bed combustion // Proceeding Swedish – Finnish Flame Days. – 2005. – p. 28–36. 6. Li S.Y., Teng H.P., Jiao W.H., Shang L.L., Lu Q.G. Characterization on combustion and emission of several kind of herbaceous biomass pellets in a circulating fluidized bed combuster // Proceeding on 20th International conference on fluidized bed combustion. – 2009. – p. 1309–1315. 7. Zhang J., Lü J., Wang X., Zhang H., Yue G., Suda T., Sato J. Characterization of pressure signals in fluidized beds loaded with large particles using Wigner distribution analysis: diagnosis of agglomeration // Chin. J. Chem. Eng. – 2007. – 35 (1). – p. 24–29. 8. Stankovič L., Stankovič S. Wigner distribution of noisy signals // IEEE Transactions on Signal Processing. – 1993. – vol. 41, no 1. – p. 956–960. 9. Ommen van J.R., Coppens M.-O., Bleek C.M. Early warming of agglomeration in fluidized bed by attractor comparision // AIChE Journal. – 2000. – vol. 46, no 11. – p. 2183–2197. 10. Nijenhuis J., Korbee R., Lensselink J., Kiel J.H.A., Ommen van J.R. A method for agglomeration detection and control in industrial fluidized bed // Proceeding of CHISA 2004: 16th International congress of chemical and process engineering, August 22-26, 2004, Praha, Czech Repuplic. 11. Diks C., van Zwet W.R., Takens F., DeGoede J. Detecting differences between delay vector distributions // Physical Review E. – 1996. – vol. 53, no 3. – p. 2169–2176. 12. Lin W., Dam-Johansen K., Frandsen F. Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors // Chemical Engineering Journal, 96 (2003). Получено 18.02.2010 г.

О выборе методов диагностирования процессов дефлюидизации в слое при сжигании биомассы, в том числе, совместно с углём

Репозитарії

Схожі ресурси