Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ развития и применения нетрадиционных источников энергии в сельскохозяйственном производстве 11
1.1 Актуальность выбранной темы и анализ развития отрасли 11
1.2 Процесс газогенерации твердого бросового топлива 24
1. 1.3 Классификация газогенераторов 27
1.3.1 Прямоточные газогенераторы 27
1.3.2 Вихревые газогенераторы 28
1.3.3 Факельные газогенераторы 32
1.4. Обзор существующих конструкций 34
1.5 Выводы по главе 3 8
2 Лабораторно-теоретическое исследование гипотезы интенсификации пиролизного сжигания отходов сельскохозяйственного производства 39
2.1 Теоретические исследования и обоснование интенсификации пиролизного сжигания отходов сельскохозяйственного производства 39
2.1.1 Пиролиз под действием ультразвукового излучения (УЗИЛ) 39
2.1.2 Воздействие УЗИ 41
2.1.3 Пиролиз с использованием вихревого горения 45
2.2 Лабораторные исследования 51
2.3 Гипотеза интенсификации пиролизного сжигания отходов сельскохозяйственного производства 56
2.4 Выводы по главе 58
3. Теоретическое обоснование интенсификации пиролизного сжигания отходов переработки древесины 60
3.1 Пиролиз под действием ИК- излучения 60
3.2 Пиролиз под действием УЗИ энергии в фильтрационном потоке газа 62
3.3 Математическая модель распределения температуры в вихревом газогенераторе 65
3.3.1 Передача теплоты через плоскую стенку 66
3.3.2 Радиационно-конвективный теплообмен 71
3.4 Выводы по главе 75
4. Экспериментальные исследования установки типа узил при утилизации отходов сельскохозяйственного производства 77
4.1 Описание эксперимента по определению объемной доли диоксида углерода и оксида углерода при сжигании топлива 78
4.1.1 Экспериментальная установка 78
4.1.2 Алгоритм работы установки УУЗИП 81
4.1.3 Система управления установкой УУЗИП 83
4.1.3.1 Узел управления ВРИМ 468332.004 85
4.1.3.2 Субблок управления установкой ультразвукового пиролиза (СУУЗИП) З.Э132.0006 85
4.2 Эксперименты на вихревом газогенераторе объединенного цикла 87
4.3 Анализ результатов теоретических и практических исследований 91
4.4 Выводы по главе 93
5. Экономическая и энергетическая эффективность использования энергосберегающей технологии утилизации отходов сопутствующих сельскохозяйственных производств 94
5.1 Обоснование производительности проектируемой установки 94
5.2 Расчет сменного и годового выпуска продукции 95
5.3 Расчет капитальных затрат 96
5.4 Расчет себестоимости продукции 96
5.5 Срок окупаемости капитальных затрат 101
Общие выводы и рекомендации 104
Список использованных источников 106
Приложения 122
- Процесс газогенерации твердого бросового топлива
- Гипотеза интенсификации пиролизного сжигания отходов сельскохозяйственного производства
- Математическая модель распределения температуры в вихревом газогенераторе
- Эксперименты на вихревом газогенераторе объединенного цикла
Процесс газогенерации твердого бросового топлива
Топливо, загруженное слоем определенной высоты на колосниковую решетку, поджигается и продувается газифицирующим агентом (дутье). Фильтруясь между кусками топлива, кислород дутья постепенно расходуется на окисление углерода. Зона, в которой кислород практически полностью исчезает, называется «кислородной» (окислительной). Из этой зоны выходят С02, N2 ,СО (как небольшой недожог), водяной пар (рисунок 1.9).
Если высота слоя позволяет, то над «кислородной» образуется еще и «восстановительная» зона, где проходят реакции С02+С=2СО, Н20+С=СО+Н2 (здесь С02 и Н20 - из «кислородной» зоны). В этом случае в газах, выходящих из слоя, кроме С02, N2 и водяного пара, содержатся еще и СО и Н2. Эти газы смешиваются со смолами, парами влаги, углеводородами, «отогнанными» из топлива в процессе пиролиза воздействием температуры, и образуют генераторный газ — продукт газификации [64].
Как известно, горючий газ получается в процессе термохимических превращений твердого топлива как в условиях без доступа воздуха (полукоксование, коксование) при нагревании до 500-1000 С с теплотой сгорания 3000-4000 ккал\нм , так и в процессе горения при недостатке воздуха по реакции С+02 =С02 +Q , далее С02 +C=2CO-Q , С+Н20=СО+Н2 -Q с теплотой сгорания 900-1600 ккал/нмЗ. На поддержание процесса газогенерации обычно расходуется 20-27 % органического вещества исходного твердого топлива. Значительное влияние на выход, состав и теплоту сгорания газа оказывает вид дутья (воздушное, кислородное и т.д.), качество топлива и условия проведения процесса [82, 49].
Образование горючих газов может протекать как в неподвижном слое топлива, так и "кипящем" (циркулирующем) слое. В зависимости от условий процесса можно получать газ заданной теплоты сгорания (800-8000 ккал\нм3) и заданного состава. Газы с теплотой сгорания до 1600 ккал/нм применяют в энергетике и для технологических целей. Газы с теплотой сгорания свыше 1600 ккал/нм получают с применением парокислородного дутья под давлением. Теплота сгорания генераторного газа, полученного из древесины или торфа с применением паровоздушного дутья, составляет 1300-1500 ккал/нм3 [82,69]
Процесс газификации зависит от ряда факторов - температуры, состава дутьевой смеси, величины кусков топлива, способности его взаимодействовать с газами (реакционной способности), спекаемости топлива, плавкости золы, равномерности распределения газов по сечению и т. д.. Большое значение имеют подача, распределение и перемешивание топлива, разрыхление спекшегося кокса и угля, разрушение комьев шлака, удаление золы, распределение дутья, стабильность режима и т. д. [60].
Существует несколько схем газогенераторных процессов: прямой, обращенный, перекрестный, с ожиженным слоем и смешанный. Прямой процесс - газификации протекает в плотном слое при встречной подаче воздуха и топлива; при обращенном процессе топливо и воздух движутся в одном направлении, газ выводится через колосниковую решётку, происходит разложение паров смолы, теплота сгорания 950-1200 ккал/нм3. Смешанные схемы газификации твёрдого топлива включают элементы прямого и обращенного процессов, используется топливо в виде кусочков размером больше 20 мм. Широкое распространение получает также способ газификации в "кипящем" слое топлива [61].
Принцип работы установки основан на термической переработке углесодержащих материалов в горючий газ посредством химических реакций окислителя, восстановления и термолиза, протекающих внутри газогенератора. В качестве газификации газогенератора происходит процесс горения части сырья за счет подвода воздуха, засасываемого в газогенератор через зольный ящик.
Выделяющееся при этом тепло идет на нагрев, подсушку и термолиз сырья, лежащего в слое над камерой газификации, а также на протекания эндотермических реакций восстановления двуокиси углерода и образования «водного» газа (реакция взаимодействия водяного пара с углеродом).
Реализуется режим обращенного процесса газификации, когда все продукты термолиза сырья вместе с водяным паром проходят через зону горения, где поддерживается температура около 1000 С. При этом происходит крекинг высокомолекулярных продуктов термолиза (смол, кислот и т. п.) до простейших соединений СО, Нг и СВЦ. Полнота протекания данного процесса обеспечивается специфичной формой камеры газификации. Конечными продуктами газификации является горючий газ [13].
При этом возможны три варианта работы: непосредственное сжигание генераторного газа в специальных устройствах; охлаждение генераторного газа в специальных теплообменниках, допускающих слив конденсата, с последующим нагревом газа в газгольдер или подачей потребителю; охлаждение и очистка генераторного газа до кондиции, позволяющей использовать его в двигателях внутреннего сгорания.
К настоящему времени разработано большое количество разнообразных методов газификации твердого топлива и конструкций газогенераторов в зависимости от назначения газа, качества исходного топлива и конструкций газогенераторов, вида дутья, давления и т.д. Преимуществом генераторного газа является возможность поддержания высокотемпературных процессов, лучшие условия сжигания и управления технологическим процессом, а также то, что его можно получать из низкосортных, менее дефицитных, видов твердого топлива.
Гипотеза интенсификации пиролизного сжигания отходов сельскохозяйственного производства
Принципиальная схема идеи пиролиза под действием ультразвукового излучения (УЗИЛ) и сжигание генераторного газа в вихревой камере показана на рисунке 2.4. Нагретое от ИК излучения из камеры сжигания топливо начинает разлагаться на генераторный газ. С нижней части пиролизной камеры в ограниченных количествах подается воздух. Происходит фильтрационный перенос продуктов распада органических соединений через опилки в камеру сгорания. Для ускорения процесса пиролиза и фильтрационного потока опилки излучаются ультразвуком. В камере сжигания за счет специально расставленных форсунок для подачи воздуха организуется вихровое поле сгорения генераторного газа вдоль внешней поверхности установки. Воздух для подачи в камеру пиролизную используется нагретый от продуктов сгорания в трубе. Для увеличения КПД также подготавливается воздух для подачи в камеру сжигания генераторного газа.
Процесс газогенерации в вихревой установки осуществляется следующим образом. Топливо, загруженное слоем определенной высоты на колосниковую решетку, поджигается и продувается газифицирующим агентом (дутье). Фильтруясь между кусками топлива, кислород дутья постепенно расходуется на окисление углерода. Зона, в которой кислород практически полностью исчезает, называется «кислородной». Из этой зоны выходят С02, N2 ,СО (как небольшой недожог), водяной пар. Если высота слоя позволяет, то над «кислородной» образуется «восстановительная» зона. В этом случае в газы, выходящих из слоя, обогащаются оксидом углерода и водородом. Эти газы смешиваются со смолами, парами влаги, углеводородами, «отогнанными» из топлива в процессе пиролиза воздействием температуры, и образуют генераторный газ - продукт газификации.
Процесс газификации зависит от ряда факторов - температуры, состава дутьевой смеси, величины кусков топлива, способности его взаимодействовать с газами (реакционной способности), спекаемости топлива, плавкости золы, равномерности распределения газов по сечению и т. д... Большое значение имеют подача, распределение и перемешивание топлива, разрыхление спекшегося кокса и угля, разрушение комьев шлака, удаление золы, распределение дутья, стабильность режима и т. д. В соответствии с выше описанным можно сделать следующие выводы: - обосновано применение ультразвука и вихря в газогенераторе; - приведены расчеты воздействия ультразвука и выбора основных параметров для образования вихря; - проведены эксперименты подтверждающие теоретические данные и показывающие значимость применение ультразвука; - разработана принципиальная схема УЗИП сжигания отходов сельскохозяйственного производства. Количество выделяемого пиролизного газа в процессе УЗИЛ под действием ИК и УЗИ энергий и принудительного потока газа в едином цикле в технологии переработки отходов сельскохозяйственного производства на установках непрерывного действия (рис. 2.4) может быть представлено в виде: где тх - количество испаренной влаги под действием ИК — излучения; т2 - количество испаренной влаги под действием УЗИ-энергии; т3 -количество испаренной влаги в атмосфере принудительного потока газа. Уравнение теплового баланса для пиролиза с применением ИК-излучения имеет вид (рисунок 3.1) [97]
Математическая модель распределения температуры в вихревом газогенераторе
Рассмотрена задача о температурном поле слоя опилок, нагреваемой по верхней грани за счёт конвективного и радиационного теплообмена с внешней средой в вихревом газогенераторе. При нагреве топлива до температуры начала пиролиза 200С начинается термическое разложение топлива, протекающее с образованием конденсированных и газообразных продуктов реакции [64]. Образующийся в процессе пиролиза газ поднимается и попадает в камеру вихревого горения, в которой он сгорает за счёт подачи воздуха. В процессе пиролиза происходит нагрев опила. Уже при температуре 200С идёт выделение газов, которые в свою очередь нагревают стенки газогенератора. Была разработана математическая модель передачи теплоты через плоскую стенку. Для этого рассмотрена следующая задача. Дана однородная изотропная стенка толщиной 8 с постоянным коэффициентом теплопроводности X (рисунок 3.3). Пусть заданы температуры окружающей среды tal и ta2, а также коэффициенты теплоотдачи а{ и а2. При этом дифференциальное уравнение теплопроводности без внутреннего источника будет иметь вид: Однородная плоская стенка. Будем считать, что величины t3l, ts2, хх и а2 постоянны и не меняются вдоль поверхности. Это позволяет рассмотреть изменение температуры газов и стенки только в направлении, перпендикулярном плоскости стенки. При заданных условиях необходимо найти плотность теплового потока q от газа к стенке уравнением [29] и та же плотность теплового потока теплопроводности через стенку определяется уравнением [80] Поскольку температура пиролизного газа tA в камере выше температуры окружающей среды te2, то из равенств (3.33) и (3.34) можно выразить температуру внутренней стенки tcl газогенератора через внешнюю В процессе пиролиза происходит потеря теплоты через стенку, которая определяется [73] где Q — тепловой поток (Вт); F — площадь стенки газогенератора (м ).
Используя данную математическую модель передачи теплоты через плоскую стенку, были проведены расчёты изменения температуры стенок газогенератора в зоне пиролиза опила и в зоне горения пиролизного газа. Для этого приняты следующие допущения: 1. температура выделяемого опилом пиролизного газа 300С; 2. внешняя температура воздуха 20С; 3. стенки газогенератора изготовлены из жаростойкой котельной стали с коэффициентом теплопроводности X при 300С равному 32,81 Вт/(м-С) [16]. 4. толщина стенок газогенератора 3 мм. оэффициент теплоотдачи со стороны газов ах =4549,530023 Вт/(м -С). Используя экспериментальные данные изменения температуры внешней стенки газогенератора, проведена аппроксимация и получена кривая зависимости температуры от времени (рис. 3.4). Рис. 3.4. Температура внешней стенки газогенератора и линия тренда. Подставив полученную функциональную зависимость температуры внешней стенки от времени в формулу (3.34), найдено изменение температуры внутренней стенки газогенератора в зоне пиролиза: На рис. 3.5 показан график изменения температуры внутренней стенки газогенератора в зоне пиролиза опила. Аналогично, используя экспериментальные данные внешней стенки газогенератора рис. 3.6 в зоне горения, получена функциональная зависимость температуры от времени По формуле (3.35) найдена температура внутренней стенки газогенератора в зоне горения График изменения температуры внутренней стенки газогенератора в зоне горения пиролизного газа показан на рис. 3.7. Для подавляющего большинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры имеет линейный характер вида Я = Я0(1 + Ьт) [80]. В этом случае предположим, что Тогда по формуле (3.34) плотность теплового потока в зависимости от времени г составила Вт/м2
Следовательно, за 80 мин через стенку площадью 1 м пройдёт 2.88-107 Вт тепла. Таким образом, данная математическая модель позволяет, зная температуру внешней стенки газогенератора, рассчитать температуру внутренней стенки установки и количество тепла, которое пройдёт через неё за определённое время. Рассмотрен случай нагрева опила в вихревом газогенераторе. Примем следующие допущения: 1. форма нагреваемого материала максимально приближена к форме полушара-с радиусом г и избыточная температура для любой точки материала & = t — tz\ 2. в газогенератор по мере сгорания новое топливо подаётся партиями; 3. в процессе пиролиза плотность материала будет неизменна (р = const) за счёт поступления новой партии топлива и удаления кокса при помощи ультразвука через колосниковую решётку; 4. процесс пиролиза проходит при постоянном давлении; 5. нагрев опила происходит за счёт инфракрасного излучения сгораемого газа при температуре 1000С. Теплообмен сопровождается нагревом материала t(r) с постоянным коэффициентом температуропроводности а и с постоянным коэффициентом теплоотдачи а. Полушар можно рассматривать как тело, образованное пересечением шара радиусом г0 и неограниченной пластины толщиной 2S = rQ. Уравнение теплопроводности шара в сферических координатах имеет вид (рисунок 3.8)
Эксперименты на вихревом газогенераторе объединенного цикла
Экспериментальные исследования проводились на вихревом газогенераторе объединенного цикла по методике описанной выше. Установка оснащена термодатчиками по всей высоте и устройством узи.
Для проведения экспериментов было использовано 300г. опила при разной влажности. Результаты представлены в таблицах. Температура снималась с поверхности газогенератора.
Из результатов видно, что максимальные температуры преобладают в зонах датчиков №4, №5 и №6. Это доказывает то, что в разработанной конструкции именно в этой зоне происходит горение генераторного газа. В нижних же зонах такого выделения тепла не ощущается, что связано с подводом туда воздуха и расхода энергии на подготовку топлива и тления. При влажном топливе, главное отличие заключается в временных интервалах. На данной серии экспериментов они больше, что связанно с тем что на подготовку топлива требуется больше времени. Следует заметить, что подготовка топлива идет внутри газогенератора при тлении нижнего слоя топлива. Так же при проведение опытов расматривалось влияние УЗИ на коксообразование, по результатам было замечено, что УЗИ излучение значительно снижает спекание топлива. Анализ полученных данных представлен на графиках, где для каждого датчика (зоны) построен определенный график.
Так же было проведена доработка оборудования и проведены испытания для непрерывной подачи топлива. Ниже приведены графики экспериментальных данных.
По этому графику виден перепад температур в временном интервале от 25-35 мин. Именно в это время происходила подача топлива, но потом температура возрастает и продолжается процесс. Как и в предыдущих опытах, максимальные температуры приходятся на зоны 4, 5,6.
В данном случае перепад температур больше и потребовалось больше времени что бы температура восстановилась. Данный эффект обусловлен бусловлен потерей времени на подготовку поступившего топлива в самой печи На рис.4.И приведены кривые изменения температур внутренней стенки газогенератора в зоне окисления,
Адекватность полученных расчётных данных к теоретическим составила 95% и проверена методом Фишера-Снедекора [16]. На рис. 4.12 приведены кривые изменения температур внутренней стенки газогенератора в зоне горения пиролизного газа. Адекватность математической модели распределения температур стенок газогенератора проверена, путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными по критерию Фишера-Снедекора [16]. Адекватность математической модели проверена, путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными (рис. 4.13) по критерию Фишера-С не декора [16]. 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 91 % с удовлетворительным (не более 5 % по СО) качеством продуктов сгорания.
