Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из МАИ экспериментально определили степень влияния толщины слоя отходов деревообработки — древесной биомассы — на характеристики и условия тепло- и массопереноса в процессе обезвоживания. Полученные результаты легли в основу математической модели, которая в перспективе может быть использована для проектирования энергоэффективных систем сушки биомассы для применения в возобновляемой энергетике.
Результаты опубликованы в журнале Biomass and Bioenergy (Q1, IF: 7.2). Проект поддержан грантом РНФ (грант № 25-79-10045).
Древесная биомасса является одним из наиболее перспективных энергоносителей с точки зрения развития возобновляемых источников энергии. По мнению многих экспертов, она может считаться углеродно-нейтральным топливом и использоваться либо в качестве сырья для производства синтез-газа, либо для производства энергии путем прямого сжигания в камерах сгорания. Кроме того, многочисленные исследования показывают значительное снижение выбросов оксидов азота и оксидов серы при совместном сжигании биомассы с углем или сжигания биомассы в чистом виде по сравнению с углем. Также сырье может быть получено из многочисленных промышленных побочных продуктов лесопереработки, лесозаготовки — опилок, коры, древесной щепы.
При этом практически вся сырая древесная биомасса является сильно влажной — в зависимости от вида начальное содержание влаги может колебаться от 10% до 50%. Соответственно, перед сжиганием или газификацией биомасса должна быть обезвожена. Наиболее эффектный подход — это сушка диспергированной (измельченной — прим.) древесины в крупнообъемных сушильных установках с использованием плотных стационарных набивных слоев. В ряде исследований был выявлен новый механизм удаления влаги из толстых слоев древесной биомассы, характеризующийся образованием обратных потоков водяного пара внутри более глубоких слоев, направленных не к нагретой поверхности, а в глубоко расположенные «более холодные» области. Однако предельные значения толщины, при которых этот механизм начинает проявляться, еще не установлены.
«Проектирование подобного капиталоемкого оборудования — крупнообъемных сушильных установок — невозможно без физического и математического моделирования всего комплекса процессов тепло- и массопереноса, протекающих при интенсивных фазовых превращениях в процессе сушки. На сегодняшний день не разработано математических моделей, способных точно и надежно описывать динамику сушки фрагментированной древесной биомассы в условиях, характерных для промышленных сушильных камер. Также на сегодняшний день опубликовано сравнительно немного исследований, описывающих процессы сушки сыпучих слоев древесной биомассы. Целью данной работы было экспериментальное определение степени влияния толщины слоя древесной биомассы на механизм протекания процессов тепло- и массопереноса в процессе обезвоживания массивных слоев диспергированной древесины», — говорит один из авторов статьи, профессор Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Семен Сыродой.
В качестве материала для исследования были выбраны типичные отходы деревообработки — сосновые стружка и опилки. Сухой образец биомассы опрыскивали водой для достижения типичного относительного содержания влаги — 60%. Затем образцы биомассы помещали в контейнер с открытой верхней поверхностью, который располагали в центре сушильной камеры. Для измерения температуры внутри слоя материала использовали систему из термопар, установленных таким образом, чтобы регистрировать температурное поле по всей системе «слой древесины — стенки контейнера — окружающая среда» в режиме реального времени.
В ходе эксперимента изучалась динамика температуры внутри слоя диспергированной древесной биомассы в процессе сушки при различных условиях нагрева. Температура и масса образца биомассы регистрировались на протяжении всего эксперимента с интервалом в 10 секунд. Температура воздуха внутри камеры контролировалась с помощью термостатического регулятора и изменялась в диапазоне от 333 К до 393 К для каждого эксперимента.
«Результаты экспериментов показали, что, когда толщина слоя древесной биомассы превышает 50 мм, во всем диапазоне температур возникают обратные потоки водяного пара, проникающие внутрь материала. А внутри слоя древесины происходит сперва конденсация водяного пара, приводящая к локальному повышению температуры, а затем совместное испарение исходной влаги и вторичного конденсата, приводящее к переохлаждению слоя. Также было показано, что при меньшей толщине слоя подобные обратные потоки либо отсутствуют, либо их влияние является незначительным. Что дает веские основания говорить о том, что для сушки диспергированной древесной биомассы перед сжиганием в паровых и водогрейных котлах целесообразно использовать конвейерную систему подачи в сушильную камеру со слоем толщиной 1,25 мм, что позволит достичь минимально возможного энергопотребления для удаления влаги», — добавляет руководитель гранта Наталья Нигай.
Кроме того, были разработаны алгоритм для идентификации математической модели теплопереноса в массивном слое древесной биомассы в условиях интенсивных фазовых превращений и автономная математическая модель, описывающая весь комплекс теплофизических и аэромеханических процессов, протекающих в системе «внешняя среда — сушильная камера — слой древесной биомассы». Эта модель позволяет проводить точное моделирование (с точностью до 5%), оптимизировать параметры сушки и в перспективе проектировать энергоэффективные системы сушки биомассы для применения в возобновляемой энергетике.
В исследовании принимали участие сотрудники Инженерной школы энергетики ТПУ и Московского авиационного института.
Информация предоставлена пресс-службой Томского политехнического университета
Источник фото: ru.123rf.com
