Dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu jauna veida granulētu produktu izveidošana ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas un siltuma ražošanas procesu nodrošināšanai ar būtiski uzlabotu šo procesu tehnoloģiju Projekta dati: Fonds Eiropas Reģionālās attīstības fonds

Prioritātes numurs un nosaukums: 2.1.prioritāte „Zinātne un inovācijas” Aktivitātes numurs un nosaukums: 2.1.1.1.aktivitāte „Atbalsts zinātnei un pētniecībai” Projekta Nr. 2010/0241/2DP/2.1.1.1.0/10/APIA/VIAA/006. Sakuma datums 01.10.2010. Beigas datums 31.12.2013. Projekta kopēja attiecināmās izmaksas, LVL

440772

ERAF finansējums (92,5%), LVL 407714 Finansējuma saņēmējs: Nosaukums Latvijas Universitātes aģentūra "Latvijas Universitātes

Fizikas Institūts" (LUFI) Reģistrācijas numurs: Zinātnisko institūciju reģistrā

LV90002112199

Adrese Salaspils novads, Rīgas reģions, Miera 3, LV-2169, Latvija Fakss +3717901214 Tālrunis +371 7945838 Projekta vadītāja Dr. phys. Maija Zake E-pasts mzfi@sal.lv Projekta realizācija: LU Fizikas institūts (LUFI) <http://ipul.lv/main/> Valsts Koksnes Ķīmijas institūts (VKĶI) <http://www.kki.lv/> Projekta grupa LUFI: VKĶI: 1. M. Zaķe - zinātniskā vadītāja 1. G. Teliševa - vadošā pētniece 2. I. Barmina - vadošā pētniece 2. T. Dižbite - vadošā pētniece 3. A. Līckrastiņa - vadošā pētniece 3. J. Dolacis- vadošais pētnieks 4. J. Valdmanis- vadošais pētnieks 4. O. Bikovens- pētnieks 5. M. Abricka – pētniece 5. A. Aršanica- asistents 6. V. Suzdaļenko– pētniece 6. L. Jašina- asistente 7. A. Cipijs- asistents 7. V. Solodovņiks- asistents 8. M. Purmalis- inženieris 8. A. Andersone- asistente 9. R. Valdmanis- inženieris 9. S. Janceva- asistente 10. A. Volperts -asistents

Projekta vispārīgais mērķis - dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu izveidošana, granulēšana un izpēte efektīvākai vietējo atjaunojamo enerģijas resursu izmantošanai enerģijas ražošanā ar uzlabotu degšanas procesu izveidi un samazinātu kaitīgo un siltumnīcas efektu izraisošo emisiju veidošanos.

Projekta specifiskais mērķis - jauna veida granulētu atjaunojamo kurināmo izstrāde ar precīzi noteiktiem raksturojošiem parametriem (enerģētisko blīvumu, siltumspēju, elementāro sastāvu, mitrumu un pelnu saturu) un jaunas tehnoloģijas izstrādne granulētā kurināmā būtiski uzlabotu, ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas un enerģijas ražošanas procesu izveidei. 1. Pētniecība: 1.1. rūpnieciskie pētījumi 1.1.1. Izpētes darbs, lai iegūtu jaunas zināšanas par dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu sagatavošanas un granulēšanas metodēm, režīmiem un granulēto maisījumu raksturojošo parametru kopuma optimizācijas metodēm. (VKĶI). 1.2.1. Izpētes darbs, lai iegūtu jaunas zināšanas par efektīvu un ekoloģiski tīru atjaunojamā kurināmā degšanas un siltuma ražošanas procesu izveidi un šo procesu regulēšanas iespējām, izmantojot augstfrekvences elektromagnētiskā lauka (EM) rezonanses svārstības. (LUFI). 1.2. eksperimentālās izstrādnes un izpēte 1.2.1. Precīza sastāva dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu - agrokultūru salmu un

koksnes vai lignīna biomasas maisījumu izveidošana, šo maisījumu optimālo granulēšanas režīmu izveidošana un granulēšana. (VKĶI)

1.2.2. Granulēto maisījumu raksturojošo parametru eksperimentālā izpēte, to izvērtējums un optimizācija atkarībā no dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo proporcijām maisījumā. (VKĶI)

1.2.3. Granulēto maisījumu degšanas, siltuma ražošanas procesu un emisiju veidošanās izpēte un optimizācija, izvērtējot korelācijas starp šo procesu un granulēto maisījumu sastāva un raksturojošo parametru izmaiņām. (VKĶI, LUFI)

1.2.4. Jaunas tehnoloģijas izstrāde granulēto maisījumu ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas un siltuma ražošanas procesu izveidei un to regulēšanai; augstfrekvences EM svārstību rezonatora izveide; rezonatora optimālo raksturojošo lielumu (frekvences, jaudas) un optimālā pievienošanas veida izpēte, augstfrekvences rezonanses svārstību ietekmes izvērtējums uz granulēto maisījumu degšanas, siltuma ražošanas procesiem un emisiju veidošanos. (LUFI)

1.2.5. Jauno produktu un jaunās tehnoloģijas aprobācija uz vietējās apkures un rūpnieciskās enerģijas ražošanas iekārtām. (LUFI)

Projekta pārskata periodi:

1. 1.10.2010.- 31.01.2011. 2. 1.02.2011.-30.04.2011. 3. 1.05.2011.-31.08.2011. 4. 1.09.2011.-31.12.2011. 5. 1.01 2012.-30.04.2012. 6. 1.05.2012.-31.08.2012. 7. 1.09.2012.-31.12.2012. 8. 1.01.2013.-30.04.2013. 9. 1.05.2013.-31.08.2013. 10. 1.09.2013.-31.12.2013.

1. pārskata perioda izpilde 1.1.1. Izpētes darbs, lai iegūtu jaunas zināšanas par dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu sagatavošanas un granulēšanas metodēm, režīmiem un granulēto maisījumu raksturojošo parametru kopuma optimizācijas metodēm. (VKĶI) 1. pārskata periodā veikto rūpniecisko pētījumu kopsavilkums. Biomasas granulēšana visā pasaulē ir atzīta kā viens no efektīvākajiem biomasas, kas paredzēta enerģijas iegūšanai, kvalitātes uzlabošanas paņēmieniem. Granulēšana palielina biomasas enerģētisko blīvumu, samazina glabāšanas un transportēšanas izdevumus, ļauj izmantot modernus automātiskus apkures katlus. Mūsdienās Eiropā atrodas vairāk kā 300 zāģskaidu granulu rūpnīcas (2006.g.), kas saražo 4,5 milj. tonnas granulu. Latvijā 2008. gadā pastāvīgi darbojās 15 kurināmo granulu ražotāji, kas kopā saražo apmēram 350 tūkst. tonnas kurināmo granulu [1]. Lielākais kurināmo granulu ražotājs Latvijā ir SIA „Latgran”, kas gadā saražo aptuveni 250 tūkst. tonnu granulu. Vietēja tirgū tiek realizēts ne vairāk kā 10% kurināmo granulu, bet pārējais tiek eksportēts. Potenciāli Latvijā varētu ražot ap 950 tūkst. tonnas gadā biomasas kurināmo granulu, gan eksportam, gan vietējam tirgum [2]. Pasaules zāģskaidu granulu ražošanas apjomi 2008.g. bija gandrīz 10 milj. tonnas, saskaņā ar Wood Resources Quarterly datiem. Ir novērtēts, ka ražošana dubultosies nākošajos 4-5 gados un daži industrijas eksperti paredz ikgadējo pieaugumu 25-30% turpmākajos desmit gados [3]. Pēdējā laikā pieaugusi interese par jauktās biomasas granulām (JBG), kurām ir liels potenciāls [1,4] biomasas izmantošanai enerģētikā. Jauktas biomasas granulām (JBG) galvenokārt izmanto lauksaimniecības izejvielas, kā arī to atlieku produktus, kuru siltumtehniskie raksturojumi ir zemāki nekā plaši izpētītajiem augstas kvalitātes zāģskaidu granulām. Atskaitē bija pievērsta uzmanība sekojošiem jautājumiem:

- Eiropas un Latvijas pieredzes kurināmo granulu ražošanas analīze, ieskaitot jauktās biomasas granulām no netradicionālām izejvielām: dažāda veida salmiem un citiem laukkopības atkritumiem, stiebrzālēm, mazvērtīgās koksnes, ieskaitot plantāciju audzes, koksnes miza, kā arī nehidrolizējamais atlikums pēc etanola ražošanas no lignocelulozes;

- potenciālu iepriekšminēto izejvielu krājumu Latvijā novērtējums un to izmantošanas perspektīvas;

- laboratorijas metožu dispersās biomasas saspiežamības novērtējuma analīze. Stāvoklis Eiropā

JBG ir jaunpienācējas granulu tirgū, un tām nav pašām savu valsts kvalitātes standartu. Turklāt, JBG šobrīd gandrīz neizmanto vietējās mazjaudas kurtuvēs un katlu mājās. Pētījumi, parāda, ka 12 valstīm, kur veikta izpēte, nav JBG tirgus. Tirgus attīstība 16 valstīs ir nenozīmīga. Aktīvu JBG izmantošanu var novērot tikai Dānijā, kur strādā mazās kompānijas, kas pārdod dažas tonnas, galvenokārt, rapšu izspaidu granulas enerģijas ražošanas vajadzībām. Savukārt, uzņēmums Vatenfall saražo 80-100 tūkst. tonnu granulu gadā, un granulētā biomasa tiek sadedzināta kopā ar oglēm Kopenhāgenas siltumcentrālē Amagerværket. 2009. gadā Eiropā bija 55 uzņēmumi, kas saistīti ar JBG ražošanu [4] un saražoja ap 187300 tonnas gadā.

Eiropā JBG ražošanai izmanto šādas izejvielas: salmus, sojas čaumalas, kafijas čaumalas, saulespuķu čaumalas, sienu, rapša izspaidas, lapu artišokus utt. Tomēr dominējošā izejviela JBG ražošanai ir dažādu graudaugu salmi (1. tabula).

1. tabula. Biomasas potenciāls granulu izejvielām Dānijā [4].

Izejvielas Potenciāls, tūkst. tonnas gadā

Procentuāli, %

Kviešu salmi 3796 45,4 Rudzi 486 5,8 Mieži 3821 45,7 Auzas un jauktie graudaugi 251 3,0 Kopā 8354 100

Ievērojams daudzums nekoksnes biomasas ir pieejams arī Baltijas valstīs. Vislielākais laukkopības salmu gada potenciāls atrodas Lietuvā -1,7 milj. tonnas. Igaunijas un Latvijas krājumi sastāda attiecīgi 0,81 milj. tonnas un 0,57 milj. tonnas saskaņā ar 2007.gada datiem [1]. Igaunijā enerģijas ražošanai 2007.gadā izmantoja 894 tonnas salmu, kas ir tikai 0,1% no pieejamā salmu daudzuma. Latvijā SIA “Latgran” uzsākusi JBG ražošanu no miežubrāļa un saražoja pirmo partiju — 9 tonnas, kura kā paraugs piegādāta jau esošajiem granulu pircējiem [5]. Graudaugu kultūru sējumi Latvijā

Centrālās statistikas pārvaldes apkopotie dati par lauksaimniecības kultūru sējumu platībām

liecina, ka 2009. gadā graudaugu sējumu platības veidoja 540,8 tūkst. ha un no tiem iegūti 1,7 milj. tonnu graudu [6]. Graudaugu vidējā ražība bija 3,1 tonnas no hektāra. Lauksaimniecības kultūru sējumu 2009. gada platības (tūkst. ha) parādītas 2. tabulā.

2. tabula. Latvijas lauksaimniecības kultūru sējumu 2009. gada platības (tūkst. ha) [6,7]

Kultūra 2008.g. 2009.g. 2009.g., % salīdzinājumā ar 2008

Sējumu kopplatība 1111,5 1112,0 100,1 Graudaugi 544,2 540,8 99,4 Ziemāji 250,5 294,5 117,6 tai skaitā: kvieši 170,4 212,4 124,7 rudzi 59,0 59,0 100,0 tritikāle 13,8 13,1 94,4 Vasarāji 293,7 246,3 83,9 tai skaitā: kvieši 86,2 73,3 85,0 mieži 123,9 94,6 76,4 auzas 66,2 60,6 91,6 griķi 10,4 10,1 96,9 Rapsis 82,6 93,3 113,0 Ilggadīgie zālāji 413,1 413,7 100,1

1. zīmējums. Graudaugu kopražas struktūra 2008. gadā Latvijā.

3. tabula. Dažādu graudaugu salmu iznākums (uz sausni) un to siltuma kapacitāte.

Lauksaimniecības kultūru sējumu platības

Salmu raža, t/ha

Neto salmu raža (uz sausni)

Siltuma ražošanas kapacitāte TJ/gada

Graudu kultūra

2008 tūkst.

ha

2009 tūkst.

ha

Bruto t/ha [1]

Neto t/ha [1]

2008 tūkst. t

2009 tūkst. t

Siltum-spēja (GJ/t)

2008 2009

Kvieši 256,6 285,7 2,93 0,63 161,7 180,0 17,8 2878 3204 Mieži 123,9 94,6 2,42 0,38 47,1 35,9 19,2 904 689 Auzas 66,2 60,6 2,74 0,54 35,7 32,7 18,1 646 592 Rudzi 59,0 59,0 2,4x 0,4x 23,6 23,6 17,8 420 420 Kopā 268,1 272,2 4848 4905

Aprēķinātais kviešu, miežu, auzas un rudzu salmu enerģētiskais potenciāls ražojot JBG Latvijā

ir vienāds ar ~115000 tonnas naftas.

Laboratorijas metožu dispersas biomasas saspiežamības novērtējuma analīze, kā arī galveno tehnoloģiju, kas tiek izmantotas rūpnieciskai biomasas granulēšanai, ieskaitot iepriekš KĶI iegūto rezultātu analīze. Kurināmo granulu blīvums ir viens no svarīgākiem radītājiem, kas nosaka to enerģētisko un beramo blīvumu, kā arī mehānisko izturību. Materiāla saspiežamība nosaka enerģijas patēriņu granulējot to reālā tehnoloģiskajā procesā. Dispersa materiāla sablīvēšanas laikā pakāpeniski samazinās brīvā vieta starp dispersajām materiāla daļiņām. Sablīvēšanas laikā var izšķirt trīs veida deformācijas: elastīgā, trauslā un plastiskā [8]. Šie faktori kopā var ietekmēt attiecības starp parauga blīvumu, pielietoto spiedienu un enerģijas patēriņu granulēšanai. Parasti enerģijas patēriņš pieaug

palielinoties materiāla elastībai. Ņemot vērā visu iepriekš minēto, biomasas saspiežamība jeb granulu blīvuma atkarība no presēšanas apstākļiem ir obligāta pētījuma stadija, izstrādājot jauna veida kurināmās granulas. Lai izpētīt etanola ražošanas no koksnes un salmiem nehidrolizējamā atlikuma (NHA) saspiežamību Koksnes Ķīmijas Institūtā bija izstrādāta metodika dispersas biomasas presēšanai izmantojot izjaucamu presformu ar kustīgu cilindrisku virzuli (d = 0,8 mm) (2. zīm.) [9]. Disperso biomasu (m = 0,45 g) ievieto presformas kanālā, kanālā ievieto arī virzuli un veic tā noslogošanu ar Universālo izmēģinājuma mašīnu Zwick/Roell (Vācija) līdz 150 MPa ar deformācijas ātrumu 5 mm/min. 2. zīmējums. Presforma ar kustīgo cilindrisko virzuli.

Izmantojot deformācijas lielumus, aprēķina granulu blīvumu kanālā. Pēc granulu izņemšanas

izmēra to ģeometriskos izmērus un nosvēr. Iegūtos blīvuma rezultātus salīdzina ar rādītājiem, kas tika noteikti maksimālā spiediena pielikšanas brīdī (3. zīm.) [9].

700

900

1100

1300

1500

1700

0 50 100 150 200Spiediens, MPa

Gra

nulu

blīv

ums,

kg/m3

Skuju koksne

kviešu salmi

Kviešu salmuNHAKoksne NHA

500

700

900

1100

1300

1500

1700

Kviešusalmi

Skujukoksne

KviešusalmuNHA

KoksnesNHA

Gra

nulu

blīv

ums,

kg/m3

A B

3. zīmējums. A - Granulu blīvums presformas kanālā pie presēšanas spiediena 150 MPa (zils), pēc 2 minūtēm (brūns) un 24 stundas pēc izvilkšanas (dzeltens). B - Granulu blīvums atkarībā no presēšanas spiediena (B).

Eksperimenti ar kustīgā virzuļa spiedveidni parādīja, ka relaksācijas procesi salmiem un skujkoku zāģskaidām ir vairāk prolongēti un elastīgās deformācijas vērtības ir lielākas nekā NHA. Tāpēc NHA granulu daļiņu blīvums samazinās pēc izvilkšanas mazākā pakāpē nekā sākotnējai

biomasai (3. zīm.). Tas nozīmē, ka kviešu salmi un skujkoku zāģskaidas ir vairāk elastīgas salīdzinot ar NHA. Kopā ar apskatīto biomasas presēšanas metodi LV Koksnes Ķīmijas Institūtā ir izmantota laboratorijas granulu prese KAHL 14-175 (Vācija) ar plakano matricu (diametru 175 mm) un jaudu 3 kW (4. zīm.). Dotā iekārta pilnībā modelē procesus, kas notiek granulējot biomasu rūpnieciskajās presēs. 4. zīmējums. Laboratorijas iekārta KAHL (14-175).

Koksnes skaidu, nehidrolizējamā atlikuma un salmu granulēšanas eksperimenti parādīja, ka salmu NHA granulēšanai nepieciešams vismazāk enerģijas (4. tabula). Šie rezultāti korelē ar salmu NHA saspiežamību.

4. tabula. Skujkoku zāģskaidu, koksnes NHA un salmu NHA granulēšana ar laboratorijas dzirnavās KAHL (14-175)*.

Paraugs Īpatnējais enerģijas patēriņš, kWh/kg

Īpatnējais enerģijas patēriņš, % no

iegūto granulu ZSS**

Preses produktivitāte,

kg/h

Skujkoku zāģskaidas 0,393 7,8 4,6 Skujkoku NHA 0,198 3,5 8,7 Kviešu salmu NHA 0,113 2,3 16,5

* Rezultāti pārrēķināti uz granulu sausni, ** ZSS – zemākā siltumspēja.

Tādējādi abas metodes papildina viena otru un ļauj detalizēti izpētīt deformācijas procesus, kas notiek dažādas biomasas un to maisījumu granulēšanas laikā.

Literatūras saraksts. 1 Pellet market country report Baltic countries ESTONIA / LATVIA / LITHUANIA LETEK – South

Estonian Centre of Renewable Energy, Tartu County, Estonia, 2009. (www.pelletsatlas.info). 2. SIA „Latgran”, <http://www.latgran.com/lv> 3. Wood Resources International LLC. http://www.webwire.com/ViewPressRel.asp?aId=88483 4. Final report on producers, traders and consumers of mixed biomass pellets. Baltic Energy

Conservation Agency Gdansk, Poland, 2009. 5. Miežabrāļa audzēšana enerģētiskām vajadzībām - LATGRAN - wood pellets

http://www.latgran.com/index.php?lang=lv&id=56. Par lauksaimniecības kultūru sējumu platībām, kopražu un vidējo ražību 2009.gadā

http://www.csb.gov.lv/notikumi/par-lauksaimniecibas-kulturu-sejumu-platibam-koprazu-un-videjo-razibu-2009gada-26477.html

7. Par lauksaimniecības kultūru sējumu platībām 2008. Gadā. http://www.csb.gov.lv/notikumi/par-lauksaimniecibas-kulturu-sejumu-platibam-koprazu-un-videjo-razibu-2008-gada-26484.html

8. N.G. Vilesov, V.Y. Skripko, V.L. Lomazov, Granulation processes in industry, Kiev, 1976, 192 p. (krievu val.)

9. A.Arshanitsa, G. Telysheva, T. Dizhbite, I.Barmina and M. Zake. Pelletizing process of non-hydrolized residues from wheat straw ethanol production and fuel characteristics of pellets obtained. Proceedings of the 3rd International symposium on Energy from Biomass and Waste, Venice, Italy;8-11 November 2010.

1.2.1. Precīza sastāva dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo maisījumu - agrokultūru salmu un koksnes vai lignīna biomasas maisījumu izveidošana, šo maisījumu optimālo granulēšanas režīmu izveidošana un granulēšana. (VKĶI). 1. pārskata periodā veikto eksperimentālo izstrāžu kopsavilkums.

1. Atskaites perioda laikā ir savākti un sagatavoti dažādas augu biomasas paraugi (24) pa 1-2 kg no katra biomasas veida, ieskaitot izspaidas jeb raušus. Visus paraugus var sadalīt 5 grupās: salmi, kūdra, koksne, koksnes miza, rapšu un linu raušī (4 veida) (1.2.1.-1. tabula).

2. Veikta 4 veidu koksnes mizošana. 3. Visi minētie paraugi ir samalti uz Retch SM 100 (Vācija) iekārtas, izmantojot sietus ar izmēru 2,0

mm, un pēc tam žāvēti pie 60ºC. Paraugu mitrumi ir doti 1.2.1.-2. tabulā. 4. Saskaņā ar darba plānu veikta 6 paraugu pelnu noteikšana pēc CEN/14775 (1.2.1.-3. tabula). 5. Ir uzsākta paraugu sagatavošana (papildus malšana un vakuuma žāvēšana) tālākai

elementāranalīzei un termiskām analīzēm. 6. Ir veikta baltalkšņa mizas secīga ekstrakcija ar organiskajiem šķīdinātājiem (heksānu, etilacetātu

un 50% etanolu), lai iegūt ekstraktvielas, kas varētu būt perspektīvas rūpnieciskai bioloģiski aktīvo savienojumu iegūšanai un videi draudzīgas koksnes saistvielas. Izekstrahētās mizas atlikums sastādīja ~50%, un ir paredzēts novērtēt tā izmantošanas perspektīvas kurināmo granulu iegūšanai.

1. tabula. Biomasas paraugu saraksts, kas ir sagatavoti analīzēm (žāvēti un sasmalcināti).

Paraugs Vieta Valsts SALMI S-1 Mieži Bauskas rajons Latvija S-2 Rudzi Bauskas rajons Latvija S-3 Auzas Bauskas rajons Latvija S-4 Kaņepes Krāslavas rajons Latvija S-5 Kvieši Bauskas rajons Latvija

KUDRA K U - 1 Augšējā Baložu kūdras fabrika Latvija K U - 2 Vidējā Baložu kūdras fabrika Latvija K U - 3 Zemā Baložu kūdras fabrika Latvija KOKSNE K-1 Bērzs Jelgavas mežniecība Latvija K-2 Apse Ogres mežniecība Latvija K-3 Osis Jelgavas mežniecība Latvija K-4 Baltalksnis Jaunkalsnava Latvija K-5 Melnalksnis Mežoles mežniecība Latvija K-6 Priede Skulte Latvija K-7 Egle Skulte Latvija K-8 Villainzaru kārkls Salix dasyclados (ar mizu) Olaines kokaudzētava Latvija K-9 Kārklis Tornhilda (ar mizu) Olaines kokaudzētava Latvija

MIZA M-1 Blīgzna Ogres mežniecība Latvija M-2 Baltalksnis Ogres mežniecība Latvija M-3 Melnalksnis Ogres mežniecība Latvija M-4 Osis Ogres mežniecība Latvija

RAUŠI R-1 Rapša rauši ekstrūdēti Iecavas rajons Latvija R-2 Rapša rauši parastie Iecavas rajons Latvija R-3 Rapša rauši ekstrūdēti Lietuva Lietuva R-4 Linu rauši Iecavas rajons Latvija

2. tabula. Mitrumu saturs biomasas paraugos, kuri sagatavoti analīzēm.

Paraugs Vidējais mitruma saturs, % S-1 Miežu salmi 7,22±0,10 S-2 Rudzu salmi 7,99±0,01 S-3 Auzas salmi 7,56±0,06 S-4 Kaņepes salmi 7,79±0,01 S-5 Kviešu salmi -

K U - 1 Augšējā kūdra 8,05±0,03 K U - 2 Vidējā kūdra 13,30±0,18 K U - 3 Zemā kūdra 9,68±0,08 K-1 Bērza koksne 6,64±0,10 K-2 Apšu koksne 6,93±0,08 K-3 Ošu koksne 7,73±0,01 K-4 Baltalksņa koksne 6,79±0,04 K-5 Melnalksņa koksne 6,01±0,02 K-6 Priedes koksne 6,95±0,04 K-7 Egles koksne 6,92±0,02 K-8 Villainzaru kārkļa koksne Salix dasyclados (ar mizu) 6,30±0,25 K-9 Kārklu koksne Tornhilda (ar mizu) 7,50±0,09 M-1 Blīgznas miza 9,76±0,28 M-2 Baltalksņa miza 8,03±0,10 M-3 Melnalksņa miza 9,29±0,19 M-4 Ošu miza 9,01±0,10 R-1 Rapša rauši ekstrūdēti 4,37±0,06 R-2 Rapša rauši parastie 7,09±0,12 R-3 Rapša rauši ekstrūdēti 9,40±0,15 R-4 Linu rauši 8,44±0,05

3. tabula. Pelnu saturs koksnes un mizas paraugos

Paraugs Pelnu saturs, % K-8 Villainzaru kārkls Salix dasyclados (ar mizu) 1,90±0,03 K-9 Kārkls Tornhilda (ar mizu) 1,44±0,01 M-1 Blīgzna 5,70±0,31 M-2 Baltalksnis 3,65±0,01 M-3 Melnalksnis 4,08±0,02 M-4 Osis 6,92±0,01

1.2.2. Granulēto maisījumu raksturojošo parametru eksperimentālā izpēte, to izvērtējums un optimizācija atkarībā no dažādas izcelsmes atjaunojamo kurināmo proporcijām maisījumā. (VKĶI). 1. pārskata periodā veikto eksperimentālo izstrāžu kopsavilkums 1. Veikta biomasas paraugu presēšanas noteikšanas metodiku pārbaude izmantojot jauno

presformu, kas izstrādāta LV Koksnes Ķīmijas Institūtā, ar pagarināto kanālu. 2. Veikta biomasas paraugu kondicionēšana līdz mitrumam 10,0±0,5%, kas nepieciešams

presēšanas eksperimentiem. 3. Biomasas saspiežamības rādītāji un relaksācijas rādījumi būs noteikti pēc metodes, kas aprakstīta

1.1.1 nodaļā. 4. Veikta pieejamās datoru programmatūras, kuras var izmantot mehānisko iedarbību uz materiālu

relaksācijas procesu pētīšanai, analīze. Panākt vienošanās ar SIA „Isometrija” par programmas „testXpert® Standard test program Relaxation/Retardation Compression tests” testēšanu lai izpētīt dispersās biomasas presēšanas procesus.

1.1.2. Izpētes darbs, lai iegūtu jaunas zināšanas par efektīvu un ekoloģiski tīru atjaunojamā kurināmā degšanas un siltuma ražošanas procesu izveidi un šo procesu regulēšanas iespējām, izmantojot augstfrekvences elektromagnētiskā lauka (EM) rezonanses svārstības. (LUFI). 1. pārskata periodā veikto rūpniecisko pētījumu kopsavilkums Oriģināli rūpnieciskie pētījumi, kas saistīti ar aktivitātes 1.1.2 izpildi LUFI ir sākti pēc MK noteikumu Nr. 752 apstiprināšanas 2009.g. 7. jūlijā un ir veikti ar mērķi iegūt jaunas zināšanas par dažādas izcelsmes biomasu izmantošanas iespējām ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas un siltuma ražošanas procesu izveidei un šo procesu kontroles iespējām. Rūpniecisko pētījumu veikšanai LUFI ir izveidota oriģināla mazas jaudas eksperimentālā iekārta diskrētu porciju (līdz 500g) dažādas izcelsmes granulētas biomasas degšanas un siltuma ražošanas procesu izpētei liesmas virpuļplūsmā (1. zīm.).

1. zīmējums. Universālā eksperimentālā iekārta dažādas izcelsmes granulētu biomasu degšanas procesu izpētei un šo procesu kontrolei.

Iekārtas konfigurācija nodrošina iespējas plašās robežās izmainīt degšanas procesu sākuma

nosacījumus, dažādās proporcijās mainot primārā un sekundārā gaisa padevi, papildus siltuma padevi kombinētā degšanas procesā biomasas gazifikācijas procesa ierosināšanai un gaistošo savienojumu sadedzināšanai, kā arī veikt ārējo lauku un liesmas mijiedarbības efektu izpēti, izmainot šo lauku konfigurāciju un intensitāti. Iekārtas galvenās sastāvdaļas ir biomasas gazifikātors (1) un dzesējams sekcionēts kanāls, pa kura garumu notiek gaistošo savienojumu sadedzināšana (6). Gazifikātora pamatnē zem granulu slāņa tiek padots primārais gaiss (3), kas nepieciešams biomasas gazifikācijai. Virs granulu slāņa no tangenciālām atverēm (5) tiek padots sekundārais gaiss, kas nodrošina gaisa virpūļplūsmas veidošanos gazifikātora izejā ar relatīvi augstu virpuļskaitli S≈0,8-1,34, kura lielumu nosaka ātruma vektora aksiālā vax un tangenciālā vtg ātruma komponentes:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫∫

R

ax

R

tgax rdrvRdrrvvS0

2

0

2 / ρρ

Liesmas virpuļplūsmas ar augstu virpuļskaitli (S>0,6) raksturojas ar recirkulācijas zonas veidošanos degšanas zonas pamatnē (2. zīm), kas nodrošina degvielas un gaisa plūsmas sajaukšanos un pilnīgu sadedzināšanu.

2. zīmējums. Recirkulācijas zonas veidošanās liesmas. Virs granulu slāņa ir novietots propāna deglis ar kontrolējamu papildus siltuma padevi (Q) granulu slāņa augšējā daļā (4), kas ierosina biomasas termisko sadalīšanos, gaistošo savienojumu veidošanos un pilnīgu sadedzināšanu: CH 1.4O 0,6+1,05O2 +Qgazif.→CO2+0,7H2O+Qdegš.

Degšanas procesu pētījumiem liesmas virpuļplūsmā tiek izmantotas diagnostikas sekcijas (7) ar atverēm, diagnostikas ierīšu ievadīšanai liesmā. Liesmas ātruma mērījumiem izmanto Pito caurulīti, bet sastāva mērījumiem - paraugu noņemšanas zondi ar datu izvadi uz Testo 350 XL. FTIR spektrometrs tiek izmantots lokāliem liesmas spektrālā sastāva mērījumiem. Rūpnieciskie biomasas degšanas procesa pētījumi liesmas virpuļplūsmā apliecina, ka izveidotā eksperimentālā iekārta ir piemērota granulētas biomasas degšanas procesa izveidei, nodrošinot stabilu degšanas zonas veidošanos liesmas centrālā daļā, kurā liesmas temperatūra, CO2 un degšanas procesa efektivitāte sasniedz maksimālo vērtību, bet brīvā skābekļa koncentrācija samazinās līdz minimālai vērtībai (3. zīm.).

00,20,40,60,8

1

0 10 20 30Radiālais attālums,mm

Rel

atīvā

tilpu

ma

konc

entrāc

ija

CO2-3;prop.0;B=0CO2-4;B=0;prop.07l/minCO2-3,B=0,prop.1,2kJ/sCO2-3;B=0;prop.0,81l/minCO2-3;B=0;prop.0,86l/min

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 3

Radiālais attālums,mm

Rel

atīvā

tem

pera

tūra

0

T,-3prop.0;B=0T-4;B=0;prop.07l/minT-3,B=0,prop.1,2kJ/sT-3;B=0;prop.0,81l/minT-3;B=0;prop.0,86l/min

0

0,4

0,8

1,2

0 10 20 30

Radiālais attālums,mm

Rela

tīvā

efek

tivitā

te

eff-3;prop.0;B=0eff-4;B=0;prop.07l/mineff-3,B=0,prop.1,2kJ/seff-3;B=0;prop.0,81l/mineff-3;B=0;prop.0,86l/min

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0,5

Propāna padeve,l/min

Silt

uma

enerģi

ja ,k

J

1

Qsum,kJ;B Qsum,B=0Poly. (Qsum,kJ;B) Poly. (Qsum,B=0)

3. zīmējums. CO2 tilpuma koncentrācijas, temperatūras un degšanas procesa efektivitātes radiālā sadalījuma veidošanās liesmas virpuļplūsmā un saražotās siltuma enerģijas izmaiņas, palielinot papildus siltuma padevi gazifikātorā koksnes biomasas degšanas procesā.

Papildus siltuma padeve granulu slānī nodrošina intensīvāku gaistošo savienojumu veidošanos un pilnīgāku to sadedzināšana, izraisot degšanas zonas paplašināšanos ar izteiktu degšanas procesa efektivitātes palielināšanos liesmas ārējā daļā un vienlaicīgu iekārtas siltuma ražības pieaugumu (3. zīm.).Arī degšanas procesu kinētiskie pētījumi apliecina, ka papildus siltuma padeve būtiski ietekmē biomasas degšanas procesa veidošanos liesmas virpuļplūsmā, nodrošinot ātrāku gaistošo savienojumu uzliesmošanu un pilnīgāku to sadedzināšanu, līdz ar to palielinot degšanas procesa efektivitāti un iekārtas siltuma ražību (4. zīm.). Tomēr vienlaicīgi ar papildus siltuma padeves palielināšanu gazifikātora izejā ir vērojama arī neliela slāpekļa oksīdu emisiju līmeņa palielināšanās, kas izraisa nepieciešamību meklēt papildus risinājumus degšanas procesa kontrolei virpuļplūsmās.

4. zīmējums. Iekārtas siltuma jaudas un slāpekļa oksīdu sastāva izmaiņas kombinētā koksnes biomasas un propāna degšanas procesā.

Rūpnieciskie pētījumi sadarbībā ar VKĶI ir apliecinājuši, ka eksperimentālā iekārta, kurā degšanas procesa izveidei tiek izmantota liesmas virpuļplūsma ar augstu virpuļskaitli (S≈0,7-1,2), ir izmantojama dažādas izcelsmes granulētas biomasas sadedzināšanu (koksnes, salmu, lignīnu), kas raksturojas ar samērā atšķirīgu elementāro sastāvu, mitrumu, pelnu saturu un siltumspēju (1., 2. tab.) [1,2]. 1. tabula. Dažādas izcelsmes biomasu elementārais sastāvs un siltumspēja

Elementārais sastāvs, % Biomasas veids HHV, kWh/k

g

Klāsona lignīna

saturs , % C H N Skop Sdegš Pelni

Koksne 5.4 28.8 50.2 6.3 0.24 0.13 0.02 0.60 Koksnes LHR 3/4 6.2 51.5 55.2 4.8 0.43 0.32 0.15 0.40

Kviešu salmu LHR 1142 5.4 44.4 49.7 5.3 1.1 0.35 0.11 6.4 2. tabula. Dažādas izcelsmes biomasu enerģētiskais blīvums un mitrums

Biomasa Mitrums,% Zemākā siltumspēja

(LHV), kWh/kg

Blīvums, kg/m3

Enerģētiskais blīvums, MW*h/m3

DU,%

Koksnes LHR 3/4 7.6 5.4 735 4.0 97.7 Kviešu salmu LHR 1142 9.2 4.6 720 3.3 98.8 Koksne 7.2 4.7 699 3.3 98.6

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1200 2400laiks,s

Silt

uma

jaud

a, J

/s

20

40

60

80

100

0 800 1600 2400laiks,s

NOx,p

pm

NOx, prop=0 NOx,B=0,co-f ireQsum.av,co-f iringQsum av,prop.=0

Salīdzinot degšanas procesus, kas veidojās liesmas virpuļplūsmā, sadedzinot dažādas izcelsmes biomasu, ir konstatēts [2], ka gaistošo savienojumu degšanas process nodrošina samērā augstu degšanas zonas temperatūru (līdz 1500-1600K), nodrošinot iekārtas siltuma jaudu līdz 2kJ/s un augstu oglekļa-neitrālo CO2 koncentrāciju dūmgāzēs (līdz 16%) (5. zīm.), kuru maksimālos lielumus degšanas procesā būtiski ietekmē oglekļa saturs biomasā un biomasas siltumspēja (1. un 2. tab.). Augstāka iekārtas siltuma ražība ar augstāku CO2 koncentrāciju produktos un augstāku degšanas zonas temperatūru ir vērojama lignīna degšanas procesā, kas raksturojas ar lielāku oglekļa saturu un augstāku siltumspēju salīdzinot ar koksnes vai salmu granulām. Šo rūpniecisko pētījumu rezultātā ir konstatēts arī, ka intensīvā gaistošo vielu sajaukšanās ar gaisa virpuļplūsmu liesmas recirkulācijas zonā nodrošina pilnīgu to sadedzināšanu, būtiski samazinot CO izmešu koncentrāciju produktos. Pētījumu rezultātā ir konstatēts, ka CO koncentrāciju granulētas koksnes biomasas degšanas procesā, izmantojot liesmas virpuļplūsmas, ir iespējams samazināt līdz 40 ppm, bet lignīna degšanas procesā - līdz 60ppm. Mazāk izteikta CO koncentrācijas samazināšanās - līdz 150ppm vērojama granulēto salmu degšanas procesā. Relatīvi augstā degšanas zonas temperatūra sekmē arī slāpekļa oksīdu veidošanās, kuru koncentrāciju produktos būtiski ietekmē dažādas izcelsmes biomasu elementārā sastāva atšķirības un slāpekļa satura izmaiņas biomasā [2]. Eksperimentālie pētījumi apliecina, ka pie apmēram vienādas degšanas zonas temperatūras (1350-1400 K) pastāv tieša lineāra korelācija starp slāpekļa saturu biomasā (1. tabula) un NO emisiju koncentrāciju dūmgāzēs - visintensīvākā slāpekļa oksīdu veidošanās (līdz 500ppm) ir vērojama, sadedzinot salmu granulas, kurās ir arī visaugstākais slāpekļa saturs, kas sasniedz 1,15% (1. tab.). Relatīvi zemāks slāpekļa emisiju līmenis- līdz 300ppm vērojams sadedzinot granulētu lignīnu, kura slāpekļa saturs ir 0,43%, bet vismazākais slāpekļu oksīdu emisiju līmenis-90-100ppm vērojams, sadedzinot koksnes biomasu, kurā slāpekļa koncentrācija nepārsniedz 0,24% (1. tab.).

300

700

1100

1500

0 700 1400 2100laiks,s

Tem

pera

tūra

,K

0

710

1420

2130

0 700 1400 2100laiks,s

Silt

uma

jaud

a,J/

s

lignīns

salmi

5. zīmējums. Degšanas zonas temperatūras, saražotā siltuma un gāzu sastāva kinētiskie pētījumi, sadedzinot dažādas izcelsmes granulētu biomasu (koksni, salmus, lignīnu) liesmas virpuļplūsmā.

Qsum,w ood Qsum,LHR 3/4Qsum,LHR 1142

0

6

12

18

0 700 1400 2100laiks,s

Konc

entrā

cija

,%

CO2,w ood CO2,LHR 3/4CO2,LHR 1142

0

200

400

600

0 700 1400 2100laiks,s

Kon

cent

rāci

ja,p

pm

NOx,w ood NOx,LHR 3/4NOx,LHR 1142

T1,w oodT1,LHR 1142

koksne

T1,LHR 3/4

Augstais slāpekļa emisiju līmenis, kas veidojas salmu degšanas procesā, izraisa nepieciešamību meklēt papildus risinājumus kā šo emisiju līmeni samazināt, vienlaicīgi nodrošinot kontrolējamu iekārtas siltuma ražību. Būtībā tas ir viens no projekta mērķiem un uzdevumiem, kas tiks risināti projekta rūpniecisko pētījumu procesā. Kā viens no iespējamajiem risinājumiem ir vienlaicīga salmu un koksnes vai lignīnu sadedzināšana, kas ļautu ierobežot kaitīgo slāpekļa oksīdu veidošanos degšanas un siltuma ražošanas procesā un to izplūdi ārējā vidē (6. zīm.).

0

110

220

330

0 700 1400 2100laiks,s

Konc

entrāc

ija,p

pm

6.zīmējums. Slāpekļa emisiju līmeņa izmaiņas koksnes, lignīna, salmu degšanas procesā un dažādas izcelsmes biomasu maisījumu –lignīna un koksnes vai salmu un koksnes degšanas procesā. Veicot dažādas izcelsmes biomasu degšanas procesu rūpnieciskos pētījumus dotā projekta ietvaros, ir veikti arī detalizēti šo biomasu termiskās sadalīšanās un gazifikācijas procesu pētījumi, kas veidojas pie ierobežotas gaisa padeves gazifikātorā (α≈0,2-0,3) un būtiski ietekmē degšanas procesa veidošanos. Biomasas gazifikācijas procesu pētījumi ir veikti, izvērtējot papildus siltuma padeves jaudas un padeves ilguma ietekmi uz dažādas izcelsmes biomasu gazifikācijas procesu kinētiku, kuras ierosināšana ir būtiska, lai nodrošinātu stabilu un kontrolējamu gaistošo savienojumu veidošanos un kontrolējama biomasas degšanas procesa veidošanos liesmas virpuļplūsmā. Biomasas gazifikācijas procesu pētījumi ir veikti pie ierobežotas gaisa padeves (α≈0,2-0,3) gazifikātorā, kad galvenie biomasas gazifikācijas produkti ir CO un H2. Šo pētījumu rezultāti apliecina, ka papildus siltuma padeve granulu slānī nodrošina ātrāku un efektīvāku biomasas termisko sadalīšanos ar kontrolējamu gaistošo savienojumu (CO, H2) veidošanos [3,4], kuru koncentrāciju degšanas procesa sākuma stadijā var izmainīt, izmainot papildus siltuma padeves jaudu un padeves ilgumu iekārtā (7.zīm.). Salīdzinot koksnes un salmu granulu gazifikācijas procesus ir redzams, ka salmu granulas, kurām ir zemāka gaistošo savienojumu koncentrācija (71%), salīdzinot ar koksnes granulām (81%), raksturojas ar intensīvāku un ilgstošāku gaistošo savienojumu veidošanos gazifikācijas procesa beigu stadijā, kuru raksturo oglekļa degšanas/reducēšanās procesi gazifikātora pamatnē.

NO,w ood NO,LHR 3/4NO,LHR 3/4+w ood

lignīns

koksne

k+l

0

200

400

600

0 700 1400 2100laiks,s

Kon

cent

rāci

ja,p

pm salmi

k+s

NOx,w oodNOx,LHR 1142+w ood

koksne

NOx,LHR 1142

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500 2000 2500

laiks,s

CO,g

/m3

0

2

4

6

8

0 1000 2000 3000laiks,s

H 2,g

/m3

7. zīmējums. Papildus siltuma padeves ietekme uz gaistošo savienojumu veidošanos un biomasas svara izmaiņām biomasas termiskās sadalīšanās un gaistošo savienojumu veidošanās procesā. Tomēr veidojot kombinēto degšanas procesu ar vienlaicīgu fosilā un atjaunojamā kurināmā sadedzināšanu ir jāatzīmē, kas fosilā kurināmā izmantošana atjaunojamā kurināmā termiskās sadalīšanas ierosināšanai un degšanas procesu kontrolei un regulēšanai ir saistīta ar siltumnīcas efektu izraisošo CO2 emisiju veidošanos kombinētā degšanas procesā, kas pie 20-25% papildus

H2,air-18l/min,pr.-1,29kJ/s,100sH2,air-18l/min,pr.-1,15kJ/sH2,air-18l/min,pr.-1 kJ/s

koksne

CO,air-18l/min,pr.-1,29kJ/s,100sCO,air-18l/min,pr.-1,15kJ/sCO,air-18l/min,pr.-1 kJ/s

koksne

0

3

6

9

0 500 1000 1500 2000

laiks,s

H 2,g

/m3

0

50

100

150

0 500 1000 1500 2000

laiks,s

CO,g

/m3

0

50

100

150

200

0 500 1000 1500 2000 2500

laiks,s

Gra

nulu

sva

rs,g

m,g(koksne); prop. 1,15kJ/s;100s;gaiss -18l/minm,g(koksne); prop. 1,15J/s;100s;gaiss -18l/minm,g(koksne); prop. 1,00kJ/s;100s;gaiss -18l/min

CO,air-18l/min,pr.1,29kJ/sCO, air-18l/min,pr.1,15kJ/sCO, air-18l/min,pr.1kJ/s

salmi

H2,air-18l/min,pr.1,29kJ/sH2, air-18l/min,pr.1,15kJ/sH2, air-18l/min,pr.1kJ/s

salmi

0

50

100

150

200

0 500 1000 1500 2000

laiks,s

Gra

nulu

sva

rs,g

1.-m,g; salmi- prop.1,29kJ/s,100s, gaiss-18l/min2.-m,g; salmi- prop.1,15kJ/s,100s, gaiss-18l/min3.-m,g; salmi- prop.1,0kJ/s,100s, gaiss-18l/min

siltuma padeves iekārtā sasniedz 10-15% no kopējām CO2 emisijām. Līdz ar to rūpniecisko pētījumu ietvaros ir veikti papildus pētījumi, kuru mērķis ir noskaidrot biomasas termiskās sadalīšanas, degšanas un siltuma ražošanas procesu alternatīvas kontroles un regulēšanas iespējas, izmantojot šim nolūkam ārējo spēkus (magnētisko, elektrisko, elektromagnētisko), kas izraisa galvenokārt virpuļplūsmas dinamikas izmaiņas un savstarpēji saistīto siltuma un masas pārneses procesus izmaiņas liesmas recirkulācijas zonā, līdz ar to izmainot biomasas termiskās sadalīšanās procesus, kā arī gaistošo savienojumu sajaukšanos ar gaisa virpuļplūsmu, izmainot gaistošo savienojumu veidošanās, uzliesmošanas un degšanas procesu kinētiku.

Degšanas procesu kontroles un regulēšanas iespēju pētījumi, izmantojot ārējā magnētiskā lauka un liesmas mijiedarbības efektus, ir balstīti uz magnētiskā spēka F izraisīto paramagnētiskā skābekļa pārnesi lauka gradienta virzienā, kura lielumu un mijiedarbības efektivitāti nosaka skābekļa magnētiskā uzņēmība ΧO2 magnētiskā lauka indukcija B un lauka gradients degšanas zonas pamatnē dB/dz: F=½*ΧO2/µ*BdB/dz. Lai veiktu šīs mijiedarbības efektu detalizētus pētījumus, tika modificēta eksperimentālā iekārta, izmantojot pastāvīgo magnētu ar magnētiskā lauka konfigurāciju [5,6], kas

nodrošināja magnētiskā lauka aksiālā gradienta veidošanos liesmas recirkulācijas zonā, kas sasniedz 1,6-1,8 T/m, intensificējot paramagnētiskā skābekļa pārnesi virzienā uz granulētās biomasas virsmu. Magnētiskā lauka un virpuļplūsmas mijiedarbības pētījumi ir apliecinājuši, ka šīs mijiedarbības rezultātā veidojas liesmas struktūras (8. zīm.) un lokālas liesmas sastāva izmaiņas, izraisot degšanas procesa efektivitātes un iekārtas siltuma ražības izmaiņas (9. zīm.) [5,6].

8. zīmējums. Liesmas virpuļplūsmas struktūras izmaiņas magnētiskā lauka un liesmas mijiedarbības procesā.

Šie pētījumi apliecina, ka ārējā lauka un liesmas mijiedarbības efektus ir iespējams izmantot degšanas procesu kontrolei un regulēšanai, tomēr mijiedarbības efekts ir būtiski atkarīgs no gaistošo savienojumu veidošanās biomasas termiskās sadalīšanās procesā un ir relatīvi mazs, ja netiek nodrošināta papildus siltuma padeve granulu slānī biomasas gazifikācijai, kas savukārt ierobežo

magnētiskā lauka izmantošanas iespējas. Turklāt magnētiskā lauka izmantošana degšanas procesa kontrolei ir saistīta ar nepieciešamību pievienot magnētu degšanas iekārtai, kas rūpnieciskās degšanas iekārtās ir stipri apgrūtināta. Šī iemesla dēļ tika veikti pētījumi, lai noskaidrotu iespējas biomasas degšanas procesu kontrolei izmantot ārējā elektriskā lauka (pastāvīgā un mainīgā) un liesmas mijiedarbības efektus.

B=0 B

9.zīmējums. Magnētiskā lauka ietekme uz aksiālā (vax) un tangenciālā (vtg) ātruma radiālā sadalījuma veidošanos liesmas virpuļplūsmā, degšanas produktu sastāvu, koksnes biomasas degšanas procesa efektivitāti un iekārtas siltuma jaudu.

e uz aksiālā (v

Pastāvīgā elektriskā lauka un liesmas virpuļplūsmas mijiedarbības efektu izpētei LUFI ir veikta eksperimentālās iekārtas modifikācija (10. zīm.), liesmas virpuļplūsmā aksiāli ievietojot elektrodu (4) un mainot šī elektroda polaritāti un potenciālu attiecībā pret kameras sienām robežās no -3kV līdz +3kV, bet strāvu ārējā ķēdē ierobežojot līdz 100mA, lai novērstu izlādes veidošanos liesmas virpuļplūsmā.

Pastāvīgā elektriskā lauka un liesmas virpuļplūsmas mijiedarbības efektu izpētei LUFI ir veikta eksperimentālās iekārtas modifikācija (10. zīm.), liesmas virpuļplūsmā aksiāli ievietojot elektrodu (4) un mainot šī elektroda polaritāti un potenciālu attiecībā pret kameras sienām robežās no -3kV līdz +3kV, bet strāvu ārējā ķēdē ierobežojot līdz 100mA, lai novērstu izlādes veidošanos liesmas virpuļplūsmā.

ax) un tangenciālā (vtg) ātruma radiālā sadalījuma veidošanos liesmas virpuļplūsmā, degšanas produktu sastāvu, koksnes biomasas degšanas procesa efektivitāti un iekārtas siltuma jaudu.

300400500600700800900

1000

0 600 1200 1800 2400

laiks,s

Siltu

ma

jaud

a,J/

s

Qsum,J/s-2,B=0;prop.0 Qsum,J/s-2,B;prop.0

-0,50

0,51

1,52

2,5

0 10 20 30Radiālais attālums,mm

Ātru

ms,

m/s

-0,5

0,5

1,5

2,5

0 10 20 30Radiālais attālums,mm

Ātru

ms,

m/s

3-vtg,prop.0,83l/min,B=03-vax,prop.0,83l/min,B=0 4-vtg,B=04-vax,B=0 3-vtg,B3-vax,B vtg-4,Bvax-4,B

0

0,4

0,8

1,2

0 10 20 30

Rādiālais attālums,mm

Rela

tīvā

konc

entrā

cija

0,7

0,9

1,1

1,3

0 10 20 30

Radiālais attālums,mm

Rel

atīvā

efek

tivitā

te

L/D 4

CO2-3,prop.0,83l/min,B=0CO2-4,B=0CO2-5,B=0CO2-3-BCO2-4,BCO2-5,B

L/D=4

eff-3,prop.0,83l/min,B=0eff-4,B=0eff-5,B=0eff-3-Beff-4-B

10. zīmējums. Eksperimentālās iekārtas modifikācija biomasas degšanas procesu elektriskai kontrolei. Ārējā elektriskā lauka un liesmas mijiedarbības efekts pamatvilcienos ir balstīts ar elektriskā spēka izraisīto pozitīvo jonu (CHO+, C2H2

+, etc.) pārnesi lauka virzienā [7], bet elastīgās jonu sadursmēs ar neitrālajām liesmas daļiņām notiek impulsu apmaiņa, izraisot savstarpēji saistītu siltuma un masas pārnesi lauka virzienā. Rūpnieciskie ārējā elektriskā lauka un liesmas virpuļplūsmas mijiedarbības pētījumi granulētas biomasas degšanas procesā ir apliecinājuši, ka samērā izteikts ārējā lauka un liesmas virpuļplūsmas mijiedarbības efekts ir vērojams, ja centrālā elektroda potenciāls ir pozitīvs un tiek intensificēta pozitīvo jonu pārnese virzienā uz liesmas ārējo daļu, izraisot savstarpēji saistītu siltuma un masas pārnesi virzienā no liesmas centrālās uz tās ārējo daļu, vienlaikus izmainot plūsmas dinamiku un gaistošo savienojumu veidošanos biomasas termiskās sadalīšanās procesā. Pie dotās lauka konfigurācijas tiek intensificēta gaistošo savienojumu sajaukšanās ar gaisa virpuļplūsmu un ir vērojama degšanas procesu intensifikācija liesmas ārējā daļā, izraisot degšanas zonas paplašināšanos, bet samazinot gaisa padeves pārsvaru gaistošo savienojumu degšanas zonā (9. zīm.) [7]. Šo pētījumu rezultātā ir konstatēts, ka ārējā elektriskā lauka un liesmas virpuļplūsmas mijiedarbības efekti spēj nodrošināt biomasas degšanas un siltuma

ražošanas procesu kontroli, nodrošinot optimālu elektriskā lauka un liesmas mijiedarbības efektu jau pie samērā neliela centrālā elektroda potenciāla, kas nepārsniedz 1,5- 2 kV (11. zīm.) [7].

11. zīmējums. Ārējā pastāvīgā elektriskā lauka ietekme uz virpuļplūsmas ātruma komponenšu (vax, vtg) vidējām vērtībām, gaistošo savienojumu (CO,H2) veidošanos koksnes biomasas termiskās sadalīšanās procesā, degšanas produktu (CO2) koncentrāciju un gaisa padeves pārsvaru degšanas zonā.

0,60,8

11,21,41,6

0 1 2 3Spriegums,kV

Ātru

ms,

m/s

vtg,L=40mm;R=0 vax

0

50

100

0 1 2 3Spriegums,kV

Mas

as

konc

entrā

cija

,ppm

H2,ppm CO,ppm

9

10

11

12

0 1 2 3Spriegums,kV

CO

2 ko

ncen

trāc

ija,%

60

80

100

120

140

0 1 2

Spriegums,kV

Gai

sa pār

svar

s,%

3

111

1

2

3

4

U

Turpinot elektriskā lauka un liesmas mijiedarbības efektu pētījumus atbilstoši projekta mērķiem un uzdevumiem saistībā ar aktivitātes 1.1.2. izpildi, ir uzsākti arī rūpnieciskie pētījumi, lai noskaidrotu iespējas biomasas gazifikācijas un degšanas procesu kontrolei izmantot arī mainīgos elektromagnētiskos laukus. Šo pētījumu veikšanai ir iegādāti vairāki augstfrekvences ģeneratori, kas darbojas diskrētās frekvenču joslās (ν≈13,56 un 40,58 mHz), nodrošinot augstfrekvences rezonanses svārstību ierosināšanu, kā arī augstfrekvences izlādi gaistošo savienojumu veidošanās un degšanas zonā. Atšķirībā no pastāvīgā ārējā elektriskā lauka un liesmas mijiedarbības efektiem, kas balstījās uz ārējā lauka ierosinātu siltuma un masas pārnesi lauka virzienā, ko nosaka galvenokārt impulsu apmaiņa jonu un neitrālo daļiņu elastīgās sadursmēs, augstfrekvences izlādes veidošanās pie elektroda virsmas ir saistīta ar intensīvu enerģijas apmaiņu neelastīgās elektronu un neitrālo daļiņu sadursmēs, veidojot šo daļiņu - ogļūdeņražu molekulu un to radikālu, kā arī skābekļa ierosinātus līmeņus un līdz ar to ierosinot gaistošo savienojumu uzliesmošanu un degšanu. Jāatzīmē, ka līdzīgs augstfrekvences rezonanses svārstību izlādes efekts, ierosinot izlādi pie elektroda virsmas, tiek izmantots iekšdedzes dzinējos, intensificējot degvielas uzliesmošanu un sadedzināšanu. Lai noskaidrotu augstfrekvences EM rezonanses izmantošanas iespējas dažādas izcelsmes biomasu gazifikācijas un degšanas procesu kontrolei, izmantojot augstfrekvences rezonanses svārstības, tika veikti pirmie pētījumi, ierosinot augstfrekvences izlādi (12. zīm.) gaistošo savienojumu veidošanās zonā [7].

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

0 4 8 12

U,kV

I,mA izlāde

11. zīmējums. Augstfrekvences svārstību izlādes ierosināšana un izlādes voltampēra raksturlīkne.

Šie pirmie pētījumi ir jau apliecinājuši, ka augstfrekvences rezonanses svārstību ierosināšana gaistošo savienojumu veidošanās un degšanas procesā veicina gaistošo savienojumu veidošanos, uzliesmošanu un pilnīgāku to sadedzināšanu ar dominējošu CO2 koncentrācijas palielināšanos un korelējošu gaisa padeves pārsvara samazināšanos, vienlaikus palielinot degšanas produktu temperatūru un degšanas procesa efektivitāti (13. zīm.), intensificējot arī NOx veidošanos liesmas virpuļplūsmā un palielinot NOx koncentrāciju dūmgāzēs. Turpinot pētījumus par degšanas procesu kontroles iespējām ir nepieciešams noteikt optimālo augstfrekvences svārstību frekvenci un elektrodu konfigurāciju, lai nodrošinātu stabilus un kontrolējamus dažādas izcelsmes biomasas degšanas procesus, palielinot degšanas procesa efektivitāti un vienlaikus ierobežojot NOx veidošanos biomasas degšanas procesā.

9

9,5

10

10,5

11

11,5

0 20 40 60I,mkA

CO

2 ko

ncen

trāci

ja,%

3-CO2,prop.0 5-CO2

6-CO2 7-CO2

508

512

516

520

524

0 20 40 60

I,mkA

Tem

pera

tūra

,K

3-T,prop.0 4-T5-T 6-T8-T

82

82,5

83

83,5

84

84,5

0 20 40 60I,mkA

Efek

tivitā

te,%

3-Eff,prop.0 5-Eff6-Eff 7-Eff

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60I,mkACO

kon

cent

rāci

ja,p

pm

3-CO,prop.0 4-CO 7-CO

13.zīmējums. Augstfrekvences rezonanses svārstību ietekme uz degšanas produktu sastāvu, temperatūru un degšanas procesa efektivitāti.

1.2.3. Granulēto maisījumu degšanas, siltuma ražošanas procesu un emisiju veidošanās izpēte un optimizācija, izvērtējot korelācijas starp šo procesu un granulēto maisījumu sastāva un raksturojošo parametru izmaiņām. (LUFI). 1. pārskata periodā veikto eksperimentālo izstrāžu un izpētes kopsavilkums Uz rūpniecisko pētījumu bāzes aktivitātes 1.2.3. ietvaros atbilstoši projekta laika grafikam no 2011. g. janvāra ir sāktas eksperimentālās izstrādes saistībā ar granulētu biomasu degšanas maisījumu ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas procesu izveidi un emisiju veidošanās izpēti un optimizāciju. Ir sagatavotas diagnostikas metodes lokāliem liesmas temperatūras un sastāva mērījumiem, kā arī saražotā siltuma daudzuma kalorimetriskiem mērījumiem. Ir sagatavots darbam gāzu analizators Testo 350 XL, iegādājoties jaunas mēršūnas degšanas produktu sastāva mērījumiem. Ir sagatavots darbam spektrālais aparāts FTIR, veicot aparāta graduēšanu lokāliem gaistošo savienojumu un degšanas produktu koncentrācijas mērījumiem. Ir veikti spektrālā sastāva mērījumi granulētas biomasas degšanas procesa veidošanās sākuma stadijā.

3726.155 0.079 3015.942 0.150

2362.110 0.3622329.449 0.230

2167.870 0.050

545.243 0.183

485.318 0.36

28.10.10-1--700 s, koksnes granulas

3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Wavenumber

Abs

orba

nce

14. degšanas procesa zīmējums. Degšanas produktu sastāvs granulētas gaistošo savienojumu

sākuma stadijā.

Pētījumu rezultātā ir konstatēts, ka granulētās biomasas (koksnes, salmu) degšanas procesa sākuma stadijā veidojas CO, H2, CO2 un neliels daudzums CH4. Tipisks IR spektrs, kas raksturo saražotās gāzes sastāvu, ir redzams 14. zīmējumā. Visintensīvāko CO2 absorbcijas joslu IR spektra rajonā novēro pie ν≈2329-2362cm-1, bet CO absorbciju novēro IR spektra rajonā ν≈1970-2200 cm-1. Šo joslu relatīvās intensitātes atkarīgas no CO2 un CO koncentrācijas gazifikācijas procesā un mainās dažādās gazifikācijas procesa stadijās. Relatīvi vājas CH4 absorbcijas joslas veidošanos pie 3015cm-1

3725.901 0.103

2358.600 0.860

2333.035 0.335

2273.820 0.043

2127.937 0.034

1304.197 0.048

669.680 0.100

3 .11 .10 -3 --64 5s, kviesu sa lm u granulas

3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

1 .6

1 .4

1 .2

1 .0

0 .8

0 .6

0 .4

0 .2

0.0

-0.2

Wavenumber

Abso

rban

ce

novēro gazifikācijas procesa sākuma stadijā (t<1000s). Gāzveida produktos ir konstatēts arī neliels daudzums H O, veidojot plašu absorbcijas joslu spektra rajonā no 3151cm2

-1 līdz 3756 cm-1 (14. zīm.). 1.2.4. Jaunas tehnoloģijas izstrāde granulēto maisījumu ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas un siltuma ražošanas procesu izveidei un to regulēšanai; augstfrekvences EM svārstību rezonatora izveide; rezonatora optimālo raksturojošo lielumu

rekvences, jaudas) un optimālā pievienošanas veida izp(f ēte, augstfrekvences s, siltuma

ažošanas procesiem un emisiju veidošanos. (LUFI).

stfrekvences EM un liesmas virpuļplūsmas mijiedarbības fektus. Ir iegādāts augstfrekvences ģenerators RFX 600 ar darba frekvenci 13 MHz, ir veikta šī

u granulētās biomasa degšanas procesu kontrolei.

āšana (VKĶI,LUFI).

MP” (Modelling for Material Processing-2010) Rīgā. Ir

su” 10. nfere

ormācija LUFI mājas lapā http://ipul.lv/main/index_lat.html?nav=combustion

rezonanses svārstību ietekmes izvērtējums uz granulēto maisījumu degšanar 1. pārskata periodā veikto eksperimentālo izstrāžu un izpētes kopsavilkums Uz rūpniecisko pētījumu bāzes aktivitātes 1.2.4. ietvaros atbilstoši projekta laika grafikam no 2011. g. janvāra ir sākta jaunas tehnoloģijas izstrāde granulēto maisījumu ekoloģiski tīru un efektīvu degšanas procesu izveidei, izvērtējot augeģeneratora raksturlīkņu pārbaude un ir izvērtētas iespējas izmantot šo ģenerator

s

. Pētniecības rezultātu publiskas pieejamības nodrošin2

1. pārskata perioda publicitātes kopsavilkums Degšanas procesu kontroles iespēju pētījumu rezultāti saistībā ar aktivitāšu 1.1.2 un aktivitātes N2 izpildi 2010. g. ir aprobēti 3. Starptautiskā simpozijā „Enerģija no biomasas un atkritumiem” Italijā un Starptautiskā kolokvijā „Msagatavota un iesniegta publikācija SCI žurnālam „Fuel”, ir sagatavoti divi referāti dalībai Starptautiskā MHD konferencē „Pamir” 2011, kā arī referāts dalībai „Ķīmijas un inženierzinātņu proceko ncē ICheaP 10, Itālija, Florence, 2011. Ir sagatavota inf \ ar ERAF projekta Nr.2010/0241/2DP/2.1.1.1.0/10/APIA/VIAA/006 mērķiem un uzdevumiem.

TV7 raidījumam „Vārds uzņēmējiem” LUFI alību ERAF projektos.

Pub 1. a, G. Telisheva, T.Dizhbite, I. Barmina, M. Zake, Pelletizing Process of Non-

2. . Telysheva, M. Zake. Processing and Complex

, 2010, Riga, pp. 151-156.

ence,

4. Fuel for

5. s of the 6-th

6. Nr.2, pp. 171-186.

7. I. Barmina, M. Purmalis, J. Valdmanis, M. Zake. Electric Field Effects on the Combustion Characteristics of Renewable Fuel. Proceedings of the 6-th International Scientific Colloquium. Modeling for Material Processing, 2010, Riga, pp. 285-290.

p Ir sagatavota informācija 2010.g. 26. decembra Ld

likāciju saraksts saistībā ar aktivitātes N2. izpildi

A. Arshanitshydrolyzed Residues from Wheat Straw Ethanol Production and Fuel Characteristics of Pellets Obtained, Proc. Venice 2010, Third International Symposium on Energy from Biomass and Waste, 2010, pp. 5. A. Arshanitsa, I. Barmina, A. Andersone, GResearch of the Main Characteristics of Pelletized Lignocellulosic Materials for Clean and Effective Energy Production. Proceedings of the 6-th International Scientific Colloquium. Modeling for Material Processing

3. I. Barmina, V. Krishko, A. Lickrastina, M. Zake, The Effect of Co-gasification of the Biomass Pellets with Gas on the Thermal Degradation of Biomass, International Conference ICheaP10, FlorItaly, 2011, pp. 6. I. Barmina, A. Līckrastiņa, V. Suzdalenko, M. Zaķe, Gasification of Pelletized RrenewableClean Energy Production, 2011, Fuel, pp. 12, (sagatavots publicēšanai SCI žurnālā “Fuel”). I. Barmina, M. Zake, Effects of Magnetic Field on Swirling Flame, ProceedingInternational Scientific Colloquium. Modeling for Material Processing, Riga, pp.145-150. M. Zake, I. Barmina, I. Bucenieks, V. Krishko, Magnetic field control of combustion dynamics of the swirling flame flow, In: Magnetohydrodynamics, 2010, 46,