Учёные ТПУ и МАИ выяснили, как толщина слоя биомассы влияет на эффективность сушки для «зелёной» энергетики.
Учёные Томского политехнического университета совместно с коллегами из Московского авиационного института провели уникальные эксперименты и выяснили, как толщина слоя отходов деревообработки — древесной биомассы — влияет на процессы испарения воды и движение тепла внутри материала. Эти результаты легли в основу новой математической модели, которая в будущем поможет создавать более энергоэффективные промышленные системы сушки для возобновляемой энергетики. Научная статья о работе опубликована в престижном журнале Biomass and Bioenergy, а сам проект поддержан грантом Российского научного фонда.
Биомасса — это одно из самых перспективных направлений «зелёной» энергетики: она считается углеродно-нейтральным топливом и может использоваться для производства синтез-газа или для прямого сжигания. Использование древесной биомассы — например, опилок, щепы, коры — позволяет ещё и заметно снизить вредные выбросы по сравнению с углём.
Однако у этого топлива есть особенность: почти все такие отходы очень влажные, порой до 50% воды, и их нужно тщательно сушить перед использованием. Часто для этого применяют огромные сушильные установки, где материал распределяют толстым слоем. Какой должна быть оптимальная толщина такого слоя и что происходит внутри него во время нагрева, учёные выяснили экспериментально.
«Проектирование подобного капиталоёмкого 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 надёжно 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 слоёв 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 слоёв диспергированной древесины», — рассказывает один из авторов статьи, профессор Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Семён Сыродой.
В роли материала для экспериментов выступали классические отходы лесной промышленности — опилки и стружка сосны, увлажнённые до 60%. Исследователи заполняли ими специальный контейнер, ставили его в сушильную камеру и с помощью термопар в режиме реального времени отслеживали, как меняется температура в разных частях слоя.
«Результаты экспериментов показали, что, когда толщина слоя древесной биомассы превышает 50 мм, во всём 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 даёт 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, команда создала алгоритмы и автономную математическую модель, которая точно (погрешность — не больше 5%) отражает все процессы нагрева, испарения и движения воздуха и воды в биомассе при сушки. Эта разработка открывает путь к созданию новых энергоэффективных систем для получения сухого биотоплива.
В проекте участвовали исследователи Инженерной школы энергетики ТПУ и МАИ.
Первые новости
