ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПИРОЛИЗА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ

Анализируя полученные данные и графики (рисунок 4), получаем, что при увеличении влажности время сгорания увеличивается. Угольная пыль имеет наибольшее время сгорания, а костра наименьшее.

1 – рабочая камера; 2 – блок питания с регулятором напряжения; 3 – емкость водяного затвора; 4 –газопровод, 5 - реактор

Рисунок 2 - Лабораторный макет

1- излучатели, 2 – сжигаемый генераторный газ, 3 – горелка, 4 – форсунки подачи воздуха

Рисунок 3 - Схема реактора

Рисунок 4 - График сгорания топлива

В третьей главе «Теоретическое обоснование интенсификации пиролизного сжигания отходов переработки древесины» разработаны модели расчета энергетических составляющих нагрева, разрабатываемого процесса пиролиза.

Для газообразного топлива низшая теплотворная способность 1 м3 топлива (здесь и далее расчеты ведутся на 1 м3 газообразного топлива, воздуха и топочных газов, приведенных к нормальным условиям):

(1)

где СО, Н2, СН4, С2Н4, H2S — содержание соответствующих химических соединений в топливе, объемн. %.

Теплотворная способность пиролизного газа в процессе под действием ИК и УЗИ энергий в электростатическом поле и принудительного потока газа в едином цикле в технологии переработки отходов сельскохозяйственного производства на установках непрерывного действия может быть представлено в виде:

(2)

где Q1- количество энергии от выделенного газа под действием ИК – излучения, Дж; Q2- количество энергии от выделенного газа под действием УЗИ-энергии, Дж; Q3- количество энергии от выделенного газа в атмосфере принудительного потока газа, Дж; Q4 - количество энергии от выделенного газа под действием электростатического поля, Дж.

Количество энергии выделяемое газом под действием ИК – излучения моет быть выражена следующим уравнением:

(3)

где - время, с; - температура, С; - площадь испарения, м2; b – эмпирический параметр; Т - предельная температура нагрева костры, С; - начальная температура, С; R0 – радиус рабочей камеры, м; 0 – начальное время, с., q – теплотворная способность газа, дж/м3

Количество энергии выделяемое газом под действием УЗИ энергии в фильтрационном потоке газа можно представить в виде выражения:

(4)

где 1 - скорость осаждения опилок вниз, м/ч; - удельная поверхность (отношение площади испарения костры к объему опилки), м2/м3; = m2/m - доля пиролизного газа; Т – температура топлива, С; V – объем камеры, м3, q – теплотворная способность газа, дж/м3

Зависимость влияния электрического поля, на теплоперенос газа от внешних условий указывает на то, что это явление связано с определенным видом газовой реакции. Ту же самую закономерность, которой следует эта зависимость, показывает химическая реакция вида A+A=Ag. В чистом газе этой реакции соответствует образование сложной молекулы из более простых. Рост эффекта пропорционально квадрату давления, сильное уменьшение его значения с ростом температуры, которое может быть представлено экспоненциальной кривой, становятся понятными, если предположить, что в основе действия электрического поля на газ лежит реакция указанного типа. Дальнейшее указание в пользу такого представления дают результаты исследований о влиянии на эффект примесей посторонних газов. Если смешать газ, показывающий особенно сильный эффект, например, ацетон с воздухом, в котором эффект несравненно меньше, то эффект в ацетоне не изменяется. Так и должно быть, если образование двойных молекул происходит в ацетоне. Зенфтлебен вначале признал эти данные достаточными для того, чтобы толкование эффекта вести на основе гипотезы о том, что в электрическом поле происходит ассоциация газовых молекул и теплота ассоциации обусловливает наблюдаемый эффект. Если это так, если в электрическом поле наступает ассоциация молекул, то на основании закона действующих масс можно написать

(5)

где р—парциальное давление, -кратной молекулы и Р—общее давление.

При слабых реакциях можно положить равным двум. Так как тогда очень мало по сравнению с Р, то соотношение первое может быть переписано в виде

(6)

Если постоянную равновесия К выразить через теплоту реакции Q, то для числа двойных молекул в единице объема получим

(7)

В газах с готовыми диполями теплота реакции, по крайней мере, отчасти, сводится к взаимодействию диполей. Поэтому

Q=Q0+Q1 (8)

причем Q1 определяется моментом диполей . Кроме того, в каждом; газе, под влиянием внешнего электрического поля, возникают индуцированные диполи, которые также оказывают заметное влияние на теплоту реакции Q. Если часть теплоты реакции Q2, обусловливаемую этими индуцированными диполями, положить пропорциональной квадрату силы поля E, то получим

Q=Q0+Q1()+aE2 (9)

На дипольные молекулы газа действует сила в направлении электрического поля. Поэтому число столкновений молекул, при которых электрические моменты параллельны, увеличивается. Если принять все это во внимание и положить действие поля пропорциональным квадрату силы поля, то для увеличения числа двойных молекул получим

(10)

(11)

Здесь предполагается, что сила поля возрастает от 0 до Е. Постоянная b зависит от и должна быть различной для различных газов. Тепло, которое выделяется при образовании двойных молекул, будет равно Q. Таким образом для количества тепла, освобождающегося в единице объема газа с жестким диполем в электрическом поле, получим

(12)

Точно такую же зависимость выделяющегося тепла q от поля давления и температуры газа дает, как показал Дебай, термодинамический расчет электрокалорического эффекта, который возникает каждый раз, когда в электрическое поле вводится диэлектрик, электрическая проницаемость которого будет зависеть от темпера туры. На основе термодинамических соображений получается соотношение

(13)

где -означает электрическую проницаемость и q — количество тепла, которое возникает в единице объема, когда поле растёт от О до Е. Если использовать связь, которая существует между проницаемостью и поляризацией молекул, а для последней использовать выражение, которое действительно для случая молекул с жесткими диполями, то для q будем иметь соотношение

(14)

где диаметр молекул.

Введя сокращение

(15)

имеем окончательно

(16)

где Q4 - количества тепла, освобождающегося в единице объема газа, Дж

Е - сила поля,

Р - общее давление, Па

Т – температура горения газов, С

Q1 – теплота реакции обусловленная моментом диполей, Дж

k – постоянная Больцмана.

Полученные аналитические зависимости позволили рассчитать основные параметры оборудования. По ним разработана принципиальная схема непрерывного технологического процесса пиролизного сжигании отходов сельскохозяйственного производства в едином цикле на установках непрерывного действия, дано его математическое описание, получены аналитические решения задачи для квазистационарного случая пиролизной возгонки, позволяющие определять количество выделяемого газа и изменение температурного поля в толще топлива от различных технологических параметров: , - температура, теплоемкость, теплопроводность, удельный расход парогазовой среды; - плотность потока ИК-излучения; NУЗ – мощности УЗИ; R, Н – радиус и высота пиролизной камеры; – расход топлива подаваемого в камеру на сжигание; - скорость опилок в пиролизной камере; , - удельная теплоемкость и плотность сухого вещества распыляемого продукта.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования установки типа при утилизации отходов сельскохозяйственного производства» на основе теоретических и лабораторных исследований разработана установка, представленная на рисунке 5.

Работает установка следующим образом. Исходное топливо подается через люк 1 и попадает на колосниковую решетку 2. В камере происходит слоевое горение, при котором стабилизируется неоднородность топлива по влажности, сглаживаются провалы по температуре горения и, исключается вероятность прекращения процесса горения при попадании партии топлива повышенной влажности. За время своего перемещения топливо подсушивается, газифицируется и загорается. Для того чтоб топливо не спекалось и слой окислительной зоны был выше, используются вертикальные колосники 3.

1 – топочная дверца; 2 – колосниковая решетка; 3 – вертикальные колосники; 4 – жиклеры вторичного воздуха; 5 – внутренний корпус; 6 –внешний корпус; 7 –зольник; 8-воздуховод; 9- ультразвуковое устройство; 10-электростатическое устройство; 11- предохранительный взрывной клапан; 12-дымоход

Рисунок 5- Схема экспериментальной установки

Во время розжига установки зольник 7 должен быть открытым для того, чтоб поступающего воздуха было достаточно для горения. После того как топливо разгорится, зольный ящик закрывается и воздух необходимый для частичного горения засасывается через щели между ящиком и корпусом. Затем включают УЗИ 9 и электростатические 10 устройства для более эффективного использования топлива. Образующийся в слоевой камере газ поднимается и проходя через колосниковую решетку, освобождаясь от более тяжелых недогоревших частиц, попадает в камеру вихревого горения. В камере вихревого горения газ загорается за счет подачи вторичного воздуха. Воздух поступает через сопла подачи вторичного воздуха, расположенных тангенциально внутреннему корпусу и под углом 30 градусов. Таким образом, в камере вихревого горения образуется вихрь, в котором попавшие недогоревшие частицы, вращаясь, догорают вместе с газом. За счет получившегося вихря траектория горения увеличивается, а значит, газ сгорает полностью, как и частицы топлива. Продукты сгорания попадают в пространство между внешним 6 и внутренним 5 корпусами. Там они частично отдают свое тепло через стенку внутреннего корпуса в камеру слоевого горения для подготовки топлива. В зольник для частичного подогрева воздуха. Ну, а основная часть передает стенке внешнего корпуса для обогрева воздуха. Причем негорючие тяжелые частицы осаждаются в межкорпусном пространстве.

Таким образом, в дымоход вылетает практически охлажденный без минеральных примесей и остатков горючих веществ смесь газов.

В процессе эксперимента с целью определения производительности измерялось время горения 0,02 м3 льняная костра различной влажности от 10-90 %, по трем режимам (в покое на колоснике, опил со встряхиванием и опил с УЗИ подводом колосника). Влажность топлива определяли на влагомере Sartorius МА-30, который показывает содержание влаги в топливе в процентах.

На экспериментальной установке проведены измерения массы сухого остатка. После аппроксимации экспериментальных данных в программе Microsoft Excel получена функциональная зависимость изменения температуры внешней стенки по времени

y = 16,424ln() - 33,048

с коэффициентом детерминации R = 0,9346.

Адекватность математической модели проверена, путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными (рис. 6) по критерию Фишера.

Рисунок 6 - Кривые изменения массы сухого остатка

Модель адекватна с надежностью 95%. Расчеты осуществлялись в математическом пакете программ Maple 9. теоретические данные

Результаты экспериментальных данных полностью подтверждают правильность гипотезы о сжигании генераторного газа в вихревой камере возгоняемого под действием ИК- и УЗ- излучений в едином цикле из отходов сопутствующих сельскохозяйственных производств, позволяющее получать возобновляемую тепловую энергию с КПД до 85 % с удовлетворительным (не более 5 % по СО) качеством продуктов сгорания.

В пятой главе «Экономическая и энергетическая эффективность использования энергосберегающей технологии утилизации отходов сопутствующих сельскохозяйственных производств» дана оценка эффективности результатов при применении утилизации отходов производства на ООО «Тепловые сети» Предлагаемый технологический процесс обеспечит самоокупаемость по энергосбережению.

Таблица 4 - Технико-экономические показатели

№ п/п	Показатели	Ед. изм.	Оборудование		Отклонения +экономия -перерасход
			Существ.	Проект.
1	Производительность оборудования в час	кВт	350	55	295
2	Капитальные затраты	руб.	-	91985,07	-91985,07
3	Себестоимость продукции	Руб./кВт	2,82	0,64	2,15
4	Срок окупаемости капитальных затрат	лет	-	0,5	-

Результаты расчетов технико-экономических показателей, приведенные в таблице 3, подтверждают реальность результатов энергосбергающих мероприятий и полученной экономической эффективности при получении тепловой энергии из отходов сопутствующих сельскохозяйственных производств.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Получение газового топлива из твердых отходов сельскохозяйственных производств с использованием газогенераторных установок становится перспективным для получения энергоресурсов, при снижении вредных выбросов в атмосферу и повышении эффективности процесса пиролиза.

2. На основе проведенных лабораторно-теоретических исследований:

-предложен способ сжигания пиролизного газа в вихревом газогенераторе, с использованием УЗИ и электростатического поля для ускорения фильтрационных газовых потоков при высокотемпературном разложении органических отходов;

3. На основе проведенных теоретических исследований:

-разработаны математические модели, дающие возможность расчета энергоемкости и энергопроизводительности процесса утилизации отходов переработки древесины;

- получены аналитические зависимости для опре­деления геометрических параметров установок требуемой производительности (6, 10, 15, 24, 36, 50 кВт);

4. В соответствии с проведенными экспериментальными исследованиями кинетики процессов сжигания пиролизного газа в вихревом газогенераторе, с использованием УЗИ и электростатического поля для ускорения фильтрационных газовых потоков при высокотемпературном разложении органических отходов получены рациональные режимы проведения процесса:

-температура пиролиза отходов переработки древесины (t1 = 190...240 )

-температура вихревого сжигания пиролизного газа в зоне горения (tг = 1030...1245 )

-качество продуктов сгорания по СО составляет от 4% до 5% в зависимости от влажности отходов.

5. Параметры и режимы технологических процессов, обеспечивающие минимальный выброс вредных отходов в атмосферу (по оксиду углерода не более 0,5 %), использованы при выполнении Государственного контракта с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации, где реализована технология промышленной переработки отходов птицефабрик, содержащая технологические и технические решения по утилизации тушек падежа птицы.

6. Себестоимость 1 Гкал тепловой энергии для обогрева откормочного производства в ООО «Тепловые сети» при использовании отходов столярного производства составляет 640 рублей. Срок окупаемости опытной установки при объеме капитальных затрат 91985,07 руб. составит не более года.

Основные положения диссертации

опубликованы в следующих работах:

Издания, указанные в перечне ВАК:

1. Ильин, А.П. Математическая модель процесса пиролиза льняной костры /А.П. Ильин, Р.Р. Якупов, Л.С. Воробьева//Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009.№6 с 20-21

Другие издания:

2. Якупов, Р.Р. Пиролиз - возобновляемый источник энергии// Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. №3(24)2010г./с. 2-4

3. Ильин, А.П. К математической модели пиролиза древесных опилок в вихревом газогенераторе/ А.П. Ильин, Р.Р. Якупов, Л.С. Воробьева, Н.Ю. Литвинюк// Проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса: материалы Всероссийского научн.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 20-21 окт.2009г./с. 181-186

4. Якупов, Р.Р. Ультразвуковая интенсификация пиролизного сжигания твердотопливных отходов/Р.Р. Якупов, В.С. Вохмин, А.П. Ильин // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конфиренции. Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. С.302-307.

5. Вохмин, В.С. Интенсифкация и энергосбережение при метановом сбраживании навоза/ В.С. Вохмин, И.В. Решетникова, Р.Р. Якупов, С.В. Петров // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конфиренции. Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. С. 325-329.

6. Якупов, Р.Р. Исследование и разработка ресурсосберегающего агрегата на твёрдом топливе энергоблока для фермерских хозяйств. / Р.Р. Якупов, М.А. Валиулин // Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА. Т.IV.- Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. – c.212-215.

7. Касаткин, В.В. Использование отходов переработки льнотресты для получения тепла в животноводстве. / В.В. Касаткин, М.А. Валиулин, Н.Ю. Литвинюк, А.П. Ильин, Р.Р. Якупов// Зоотехническая наука на Удмуртской земле. Состояние и перспективы: мат. Международной научно-практ. конференции, 23 апреля 2009г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА.- Ижевск: ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2009. – c.141-148.

Сдано в производство 01.10.2010 г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84 1/16.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 115.

Изд-во ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА,

426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 11