РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО

На правах рукописи

Вохмин Вячеслав Сергеевич

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович

Официальные оппоненты: Щеренко Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Процессы, аппараты и теплотехнологии пищевых производств» ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств (ФГБОУ ВПО МГУПП)

Дородов Павел Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедры «Теоретической механики и сопротивления материалов» ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ")

Защита состоится «29» марта 2012 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9, ауд. 3-201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Автореферат разослан «28»февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Литвинюк Надежда Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных вопросов, стоящих на пути прогресса в современном мире, является вопрос о развитии энергетики, базирующейся на доступе к энергетическим ресурсам.

Задача обеспечения постоянно растущих потребностей мировой и национальных экономик в энергии обусловливает необходимость развития возобновляемой энергетики и, в частности, биоэнергетики. Это также диктуется решением глобальных проблем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и обеспечением экологической безопасности.

На федеральном уровне значительное развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) должна дать государственная программа "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года", утвержденная распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. №2446-р.

На республиканском уровне одним из перспективных разрабатываемых направлений программы "Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010-2014 годы" является инновационный проект "Использование местных (альтернативных) видов топлива на территории УР".

Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки.

Теоретические вопросы, посвященные переработке отходов АПК, рассматривали в своих работах российские ученые: Лысенко В.П., Гужулев Э.П., Дубровский В.С., Бацанов И.Н., Ковалев Н.Д., Ковалев Д.А., Марченко В.И., Шрамков В.М., Зуев В.А. и др.; и зарубежные ученые: Jan Baptita Helmont, Count Alessandro Volta, Sir Humphry Davy, Anderson P.A., Baker D.N. и др.

В Ижевской ГСХА, начиная с 1995 года, на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции» началось развитие одного из направлений по теме «Утилизация отходов сельскохозяйственного производства». Результатом этих исследований стали выигранные и отмеченные Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и Министерством сельского хозяйства Российской Федерации конкурсы. Поэтому введение новых энергосберегающих электротехнологий на различных этапах энаэробного сбраживания является актуальной научной задачей, решение которой видится в использовании установок поточно-циклического и непрерывного действия.

Цель работы: повышение эффективности анаэробной переработки навоза и интенсификация процесса получения биогаза как источника энергии в энергосберегающей электротехнологии.

Задачи:

 - разработать энергосберегающий метод непрерывной утилизации биомасс животного и растительного происхождения с использованием энергии конвективно-индукционного нагрева;

- создать физические модели и дать математические описания процессов сбраживания непрерывного действия с конвективно-индукционным нагревом;

- разработать и изготовить образец биогазовой установки непрерывного действия, реализующий технологию утилизации биомассы с применением объемного конвективно-индукционного нагрева;

- обосновать эффективность разработанной технологии.

Объект исследования: трехстадийный электротехнологический процесс работы биогазовой установки.

Предмет исследования: технологические режимы работы трехстадийной биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии.

Научную новизну работы составляют:

- метод нагрева биомассы на биоэнергетических установках непрерывного действия с конвектитвно-индукционным нагревом, реализующий единый циклический процесс;

- теплофизические модели частных процессов ферментации навоза на биореакторах непрерывного действия с применением ковективно-индукционного нагрева, позволяющие определять режимы и параметры технологического процесса;

- математическая модель рационализации энергоемкости частного процесса энергопроизводства биореактора непрерывного действия.

Практическая значимость и реализация результатов исследований:

- опытный образец лабораторной непрерывно действующей биогазовой установки с объемом реактора 40 литров, обеспечивающий эффективное выполнение фундаментальных и прикладных исследований;

- технологический процесс и аналитические зависимости, обеспечивающие оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения индукционного нагрева;

- результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе, используются во всероссийских и зарубежных конкурсах и форумах.

Основные положения, выносимые на защиту:

- энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием индукционного нагревателя;

- механизм расчета и оценки энергоемкости работы биогазовой установки;

- теплофизические модели и математическое описание процессов ферментации непрерывного действия с конвективно - индукционным нагревом;

- технология метанового сбраживания навоза с применением конвективно-индукционного нагрева;

- эффективность разработанной технологии.

Личный вклад автора. Модели, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы определены совместно с научным руководителем. Макет установки и нагревательного элемента, используемые при экспериментальных исследованиях, разработаны коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» при активном участии автора.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференции в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008 г; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет им. Г.И.Носова» на Всероссийской научно-практической конференции "Качество продукции, технологий и образования", 2010 г.; в гну «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» на Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ВИЭСХ и 100-летию со дня рождения основоположника науки по электроснабжению, электрификации и автоматизации сельского хозяйства академика И.А. Будзко «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010 г.; II Евразийский Форум Молодежи «Евразия – путь на север» - Екатеринбург, 2011 г.; Всероссийский конкурс научных работ в области возобновляемых источников энергии «Стипендия BELLONA – 2011» - Санкт-Петербург, 2011 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 публикаций, в том числе 4 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК, одной монографии и одного патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 140 страниц, 33 рисунка, 10 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 215 наименований, в том числе 8 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы, цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса утилизации биомасс животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве» на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема утилизации отходов животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве. Ежегодное количество органических отходов в сельскохозяйственном производстве Российской Федерации составляет 250 млн. тонн из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн на растениеводство.

Технология производства электроэнергии из биомассы на сегодняшний день является актуальным направлением переработки отходов.

Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза, получающегося при утилизации отходов сельскохозяйственных производств.

Рассмотрены технологии и установки мировых и российских производителей биогазовых установок, разновидности наиболее применяемых форм реакторов сбраживания биомассы, методы и способы подогрева сырья.

Проведенный анализ позволил установить:

• актуальность переработки отходов животноводства и растениеводства с целью получения дополнительного источника энергии (высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92 %, получение тепловой энергии до 1,0 МВт и электрической до 0,4МВт);
• предпочти­тельность представляет использования шаровидного (яйцеобразного) биореактора с точки зрения прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата (затрат энергии на перемешива­ние), отвода осадков и разрушения плавающей корки (снижение времени подогрева навоза 1,5 …2 раза);
• неэффективность использования одного режима сбраживания навоза с прямым видом подогрева (кпд от 65 % и ниже, повышение стоимости в 1,5… 2 раза);
• неэффективность использования внешнего подогрева с помощью теплообменника с теплопроводящими элементами на поверхности стен реактора (повышение затрат электроэнергии и времени нагрева в 2,5 раза).

Во второй главе «Теоретические и лабораторные исследования интенсивных методов сбраживания отходов с.-х. производства» предложено объединить в единый цикл три стадии метанового сбраживания с целью интенсификации и оптимизации равномерного разогрева шаровидного метантенка. На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при конвективно-индукционном нагреве включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных механических, теплофизических и энергетических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа, получение и распределение электроэнергии.

Для изучения этих процессов была разработана установка, состоящая из трехстадийного метантенка с индукционным нагревателем, шлангов, манометра, жидкостного манометра, счетчика электрической энергии, термодатчиков, емкости для сбора газа, отверстия для залива субстрата, сливного патрубка, емкости под перебродивший шлам. Проводились эксперименты с образцом коровьего навоза. Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом, показана на рисунке 1.

а) экспериментальная установка: 1 – трехстадийный метантенк с конвективно - индукционным нагревателем; 2 - шланги; 3 – манометр; 4 – жидкостный манометр; 5 - счетчик электрической энергии; 6 - термодатчики; 7 - емкость для сбора газа; 8 - отверстие для залива субстрата; 9 - сливной патрубок; 10 - емкость под перебродивший шлам;

б ) экспериментальный индукционный нагреватель: 1- ферромагнитная труба; 2 - электротеплоизоляционная прокладка; 3 - индукционная катушка; 4 – стержень; 5 – крышка.

Рисунок 1 – Установка для проведения экспериментальных опытов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом

Рассмотрено влияние конвективно-индукционого энергоподвода на процесс нагрева навоза и выход биогаза с двумя наиболее рациональными типами форм метантенка.

На рисунке 2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора.

Рисунок 2 – Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора

Анализируя кривые рисунка 2 получили, что при одних и тех же температурах нагрева процесс образования биогаза более эффективнее в ректоре шаровидной формы. Также в ходе эксперимента выявили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация возможна за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55оС и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит тепло высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.

За критерии оптимизации работы биореактора принимаем минимизацию затрат энергии и максимальный выход биогаза. На основе теоретических и экспериментальных данных разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с конвективно-индукционным нагревом, которая представлена на рисунке 3.

Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с конвективно - индукционным нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофильную и психрофильную зоны за счет конструктивных элементов реактора, а именно сужение зоны выгрузки переработанного навоза, приводит к интенсивным теплофизическим процессам передачи тепла вновь поступающему сырью. Также разогрев биомассы осуществляется контактным нагревом через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.

В период нагрева навоза температура в центральной части биореактора увеличивается до 55 оС и поддерживается постоянной в заданном режиме, далее происходит конвективный нагрев с соседними секциями метантенка. Это распределение тепла происходит равномерно по всему объему реактора. Нагрев в пределах температур 40…55 оС осуществляется в центральной секции метантенка индукционным нагревателем с частотой тока 50 Гц, что соответствует термофильному режиму сбраживания.

Рисунок 3 – Схема физической модели процесса метанового сбраживания

Заданная температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь мезофильного и психрофильного режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют массообменный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит в средней секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается температура в пределах 25…40 оС. Крайней секции реактора соответствует психрофильному режиму, где температура сбраживания находится в пределах 8…25оС.

Исходя из проведенных экспериментов, обосновали применение конвективно-индукционного нагрева для предлагаемой шаровидной конструкции метантенка, объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания, и выявили основные режимы сбраживания (психрофильный при 8…25 оС, мезофильный при 25…40оС и термофильный при 40…55 оС).

В третьей главе «Теоретическое обоснование интенсификации и энергосбережения при метановом сбраживании навоза» разработаны модель расчета теплопередачи метантенка и математическая модель энергетических составляющих процесса сбраживания.

Процесс передачи теплоты субстрату, заключается в том, что энергия, подводимая к индуктору посредством электромагнитного воздействия на нагреватель, переходит в тепловую, тем самым происходит разогрев метантенка путем послойной передачи теплоты. Используя уравнение Ньютона - Рихмана определим полную теплоту передаваемую индуктором в первую I зону:

, (1) где - коэффициент теплоотдачи от горячей поверхности индуктора к биомассе термофильной зоны, Вт/(м20С); – температура поверхности индуктора, 0С; – средняя температура I зоны, 0С; - площадь поверхности теплоотдачи индуктора, м2.

Далее, используя основное уравнение теплопередачи, определим количество теплоты, передаваемую из более нагретой термофильной зоны через стенку в мезофильную зону.

, (2)