Исследование тепло- и массообмена в процессе топливоподготовки частицы биомассы с высокой влажностью

В настоящее время актуальной задачей развития топливно-энергетических комплексов ряда стран является увеличение доли генерации за счет вовлечения в оборот твердого топлива. В ряду подобных проектов особенно значимыми являются те, которые позволяют утилизировать отходы различных производств. Пищевые продукты с истекшим сроком годности в таком контексте представляются возобновляемым местным энергетическим ресурсом. Однако такие продукты требуют серьезных мероприятий по их подготовке к сжиганию или другому виду высокотемпературной переработки с целью получения энергии. Целью настоящей работы является совершенствование методов подготовки топлива из утилизируемых плодов моркови (непригодных для использования в пищевой сфере). При топливоподготовке моркови стадия сушки является лимитирующей для рациональной организации ее переработки в котлоагрегатах. Кроме того, стадия сушки является крайне энергозатратной, поэтому надежное прогнозирование ее кинетики во многом определяет эффективность всего технологического процесса. В ходе исследования решены следующие задачи: разработан численный метод описания процессов внутренней и внешней задач тепломассообмена с использованием явной разностной аппроксимации дифференциальных уравнений тепломассопереноса; выполнена параметрическая идентификация предложенной одномерной математической модели с использованием известных из литературных источников эмпирических зависимостей; проведена эмпирическая проверка предложенной математической модели путем сравнения получаемых расчетных прогнозов с результатами собственных натурных экспериментов. Тот факт, что предложенная математическая модель и результаты натурного эксперимента являются независимыми, при этом расчетные прогнозы и экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии, позволяет рассматривать предложенный метод расчета как достоверную научную основу для компьютерного метода расчета тепломассообменных процессов при организации приготовления топлива из плодов моркови.

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. Лосюк, Ю. А. Некоторые аспекты термохимической конверсии торфа / Ю. А. Лосюк, С. В. Жибрик, С. В. Корчиненко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2008. № 5. C. 60–66.

4. Карпунин, И. И. Использование отходов растительного сырья для производства энергии / И. И. Карпунин, В. В. Кузьмич, Т. Ф. Балабанова // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2011. №6. C. 72–75.

5. Гриценко, А. B. Совместное сжигание продуктов пиролиза шин и древесных пеллет / А. B. Гриценко, Н. В. Внукова, Е. И. Позднякова // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 4. C. 363–376. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-363-376.

6. Model for Convective Drying of Carrots for Pyrolysis / F. M. Berruti [et al.] // Journal of Food Engineering. 2009. Vol. 92, Nо 2. P. 196–201. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2008.10.036.

7. State-of-the-Art of the Pyrolysis and Co-Pyrolysis of Food Waste: Progress and Challenges / G. Su [et al.] // Science of The Total Environment. 2022. Vol. 809. Article 151170. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151170.

8. Массопроводность при сушке ядер и оболочек семян подсолнечника / С. П. Рудобашта [и др.] // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2021. Т. 64, вып. 5. С. 80-87. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216405.6337.

9. Расчетно-экспериментальное исследование теплового процесса в одиночной цилиндрической частице / А. В. Митрофанов [и др.] // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2022. Т. 65, № 9. С. 97–104. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226509.6679.

10. Theoretical Study of Particulate Flows Formation in Circulating Fluidized Bed / V. Mizonov [et al.] // Recent Innovations in Chemical Engineering. 2018. Vol. 11, No 1. P. 20–28. https://doi.org/10.2174/2405520410666170620105102.

11. Theoretical and Experimental Study of Particulate Solids Drying in Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // JP Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 18, Nо 2. P. 267–276. https://doi.org/10.17654/HM018020267.

12. Акулич, П. В. Тепломассоперенос в цилиндрических пористых телах с учетом нестационарности параметров на углубляющейся границе испарения / П. В. Акулич // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2016. № 3. С. 71–76.

13. Оптимизация аппаратурного оформления сушильных процессов в технике взвешенного слоя / В. Б. Сажин [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т. XXI, № 1 (69). С. 49–65.

14. Беркович, С. Я. Клеточные автоматы как модель реальности: поиски новых представлений физических и информационных процессов / С. Я. Беркович. M.: изд-во МГУ, 1993. 112 с.

15. Heat and Mass Transfer During Drying of a Bed of Shrinking Particles – Simulation for Carrot Cubes Dried in a Spout-Fluidized-Bed Drier / I. Białobrzewski [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. Vol. 51, Iss. 19–20. P. 4704–4716. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.02.031.

16. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий / под ред. Г. М. Островского. СПб.: Профессионал, 2004. Ч. I. 848 с.

17. Dwivedi, P. N. Particle-Fluid Transfer in Fixed and Fluidized Beds / P. N. Dwivedi, S. N. Upadhyay // Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. 1977. Vol. 16, Nо 2. P. 157–165. https://doi.org/10.1021/i260062a001.