Экспериментальное и расчетное исследование формирования композитного гранулированного топлива

В настоящее время актуальной тенденцией развития энергетических комплексов ряда стран является расширение твердотопливной ниши, которое во многом обеспечивается за счет использования различных видов местного возобновляемого топлива. Оно зачастую обладает высокими теплотехническими свойствами (теплотой сгорания, зольностью и т. п.), но имеет низкие или плохо прогнозируемые физико-механические характеристики (прочность, гранулометрический состав и др.). Последнее практически исключает стабильную и эффективную работу систем автоматизации и механизации транспортировки гранул, а также технологические процессы котлоагрегатов. Создание композитных топлив с заданными физико-механическими свойствами позволяет решить эту проблему. Состав композитного топлива на основе торфа, опилок, целлюлозы и модификатора установлен на предыдущих этапах. Однако при заданном составе композиции физико-механические характеристики зависят от режимно-технологических условий получения гранул. В настоящей работе выполнено расчетно-экспериментальное исследование, направленное на поиск рациональных технологических условий гранулирования и сушки частиц композитного топлива с заданным массовым соотношением компонентов. Для приготовления топливных гранул определенного размера из исходных мелкофракционных компонентов использовалась лабораторная установка, основные элементы которой – Z-образный смеситель, шнековый гранулятор и сушилка со взвешенным слоем. Влияние независимых переменных на прочность и конечную влажность готовых гранул композитного топлива определено в рамках полного факторного эксперимента. В статье представлены графические изображения поверхностей отклика, характеризующие указанное влияние варьируемых факторов. Полученные регрессионные зависимости, описывающие влияние факторов на целевые свойства гранул, имеют линейный характер. Последнее ограничивает возможность использования градиентных методов оптимизации, поэтому необходимо искать рациональные условия с учетом ограничений, обусловленных технико-экономическими параметрами изготовления топливных гранул.

1. Корсак, Е. П. Формирование системы угроз энергетической безопасности Республики Беларусь / Е. П. Корсак // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. C. 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398.

2. Фортов, В. Е. Состояние развития возобновляемых источников энергии в мире и в России / В.Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 4–13.

3. Пехота, А. Н. Исследование термоаналитическими методами энергетических свойств брикетированного многокомпонентного топлива / А. Н. Пехота, С. А. Филатов // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 2. С. 143–155. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-143-155.

4. Laitinen, S. Exposure to Biological and Chemical Agents at Biomass Power Plants / S. Laitinen [et al.] // Biomass Bioenergy. 2016. Vol. 93. P. 78–86. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.06.025.

5. Thermal Processing of Biomass into High-Calorific Solid Composite Fuel / R. Tabakaev [et al.] // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2017. Vol. 124. P. 94–102. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.02.016.

6. Исследование процесса термического разложения и горения торфяного топлива / П. А. Марьяндышев [и др.] // Химия твердого топлива. 2019. № 5. С. 33–38.

7. Solid Biofuels for Energy. A Lower Greenhouse Gas Alternative / ed. P. Grammelis // Springer-Verlag London Limited, 2011. 242 p. https://doi.org/10.1007/978-1-84996-393-0.

8. Михайлов, А. В. Угле-торфяные композиции для сжигания в котельных / А. В. Михайлов // Записки Горного института. 2016. Т. 220. С. 538–544.

9. Упрочняющие добавки для формованного древесного топлива / А. А. Макеенко [и др.] // Труды БГТУ. Серия 2. 2018. № 2. С. 51–54.

10. Табакаев, Р. Б. Твердое композитное топливо из низкосортного сырья / Р. Б. Табакаев, А. В. Казаков, А. С. Заворин // Известия Томского политехнического университета. Техника и технологии в энергетике. 2014. Т. 325, № 4. C. 56–64.

11. Christoforou, E. Advances in Solid Biofuels / E. Christoforou, P. A. Fokaides // Springer Nature Switzerland AG, 2019. 130 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-00862-8.

12. Томсон, А. Э. Торф и продукты его переработки / А. Э. Томсон, Г. В. Наумова. Минск: Беларус. навука, 2009. 328 с.

13. Наумович, В. М. Искусственная сушка торфа / В. М. Наумович. М.: Недра, 1984. 222 с.

14. The Influence of Raw Material Characteristics on the Industrial Pelletizing Process and Pellet Quality / M. Arshadi [et al.] // Fuel Processing Technology. 2008. Vol. 89, Iss. 12. P. 1442–1447. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.001.

15. Experimental Verification of Novel Pellet Model Using a Single Pelleter Unit / J. K. Holm [et al.] // Energy and Fuels. 2007. Vol. 21, Iss. 4. P. 2446–2449. https://doi.org/doi.org/10.1021/EF070156L.

16. Овчинников, Л. Н. Исследование процесса получения комплексных гранулированных органоминеральных удобрений пролонгированного действия на основе торфа / Л. Н. Овчинников // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2017. Т. 60, № 9. С. 100–104.

17. Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // Particulate Science and Technology. 2017. Vol. 37, Iss. 8. P. 1028–1033. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459.

18. Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. М.: Высш. школа, 1978. 319 с.

19. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976. 279 с.