Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Способы переработки растительного сырья в энергоносители ...10
1.1. Современные технологии получения энергоносителей из растительного сырья 10
1.2. Обзор существующих технологий газификации и пиролиза 11
1.2.1. Технологии газификации 11
1.2.1.1. Шахтная схема 12
1.2.1.2. Барабанная схема 17
1.2.2. Технологии пиролиза 19
1.2.2.1. Барабанная схема 19
1.2.2.2. Шахтная схема 24
1.3. Сравнение параметров процессов газификации и пиролиза растительного сырья. 28
ГЛАВА 2. Системный анализ и повышение эффективности процесса пиролиза растительного сырья 30
2.1. Анализ возможности увеличения энергетических характеристик пиролизного топливного газа и выбор направлений повышения эффективности пиролитической переработки растительной массы 30
2.2. Разработка конструкции пиролизной установки с возвратом смол в пиролизный реактор 35
2.2.1. Разработка конструкции термореактора 36
2.2.2. Выбор устройств выделения смол из парогазовой смеси и очистки топливного газа 41
ГЛАВА 3. Исследование работы установки пиролиза растительного сырья с возвратом пиролизных смол 53
3.1. Исследования экспериментальной установки 53
3.1.1. Описание экспериментальной установки 53
3.1.2. Техническое оснащение экспериментов 55
3.1.3. Описание хода экспериментов 57
3.1.4. Результаты проведения экспериментов 59
3.2. Разработка математической модели пиролизной установки 61
3.2.1. Моделирование пиролизной установки в установившемся режиме..61
3.2.2. Моделирование пиролизной установки в переходном режиме 62
3.3. Оценка корректности математической модели пиролизной установки71
ГЛАВА 4. Разработка математической модели системы автоматического управления установкой пиролиза растительного сырья .. 74
4.1. Постановка задачи управления 74
4.2. Коррекция модели пиролизной установки ...77
4.3. Синтез модели системы управления 81
4.4. Компьютерное моделирование системы управления 82
4.5. Оценка устойчивости системы управления 94
4.6. Оценка экономической эффективности применения системы
автоматического управления пиролизной установкой 96
Выводы 98
Заключение 99
Библиографический список 103
- Современные технологии получения энергоносителей из растительного сырья
- Анализ возможности увеличения энергетических характеристик пиролизного топливного газа и выбор направлений повышения эффективности пиролитической переработки растительной массы
- Исследования экспериментальной установки
- Постановка задачи управления
Введение к работе
Постоянный рост себестоимости жизнедеятельности общества является одним из основных следствий непрерывного роста цен на энергоносители -неотъемлемой составляющей всей жизнедеятельности. Причины роста цен на энергоносители:
-Выработка существующих месторождений и усложнение процесса
добычи ([1 - 5]). -Разведка, разработка, обустройство новых месторождений и непрерывно удаляющаяся от жилых территорий прокладка нефте-, газопроводов
([6])--Все более сложные условия обустройства и эксплуатации новых
месторождений и магистралей ([6]). -Реновация элементов энергосистем. -Непрерывный рост населения и связанное с этим потребление энергии,
обустройство и эксплуатация сетей и увеличение потерь в сетях. -Непрерывный рост промышленного производства и связанное с этим
потребление энергии. -Непрерывный рост транспорта и связи.
-Непрерывный рост частоты и силы природных катаклизмов ([7]). -Возрастающие требования экологии ([8-13]). -Возрастающие риски террора.
Эти и другие причины определяют непрерывный рост себестоимости энергоресурсов.
По данным Мирового Энергетического Совета ([1],[2]), а также ряда других организаций и исследователей ([3],[4],[5]), сопоставление ежегодной добычи и потребления нефти и газа с их мировым запасом позволяет сделать вывод, что мировой запас нефти и газа будет израсходован еще до середины нашего века.
5 В связи с этими причинами возрастает проблема энергоэффективности существующих и разрабатываемых технологий энергогенерации и энергопотребления ([14-17]).
Существующие сегодня технологии энергогенерации: ветровой, волновой, приливной, солнечной, электрохимической, геотермальной не могут служить альтернативной заменой традиционным источникам энергии в связи с их низким КПД и неуниверсальностью применения.
АЭС опасны для жизнедеятельности, и запасы топлива для них ограничены, и будут израсходованы в 20-30-х годах текущего века. Предлагаемая добыча и транспортировка изотопа гелия-3 с Луны носит в основном гипотетический характер ([18],[19]).
Водородная энергетика, основанная на получении водорода электролизом воды на АЭС, при современном техническом уровне магистралей является взрывоопасной из-за малости размеров молекул водорода и его чрезвычайной текучести, имеет высокую себестоимость
получения, транспортировки, хранения. Кроме того, водород активно
связывает кислород воздуха, создавая атмосферу, непригодную для
жизнедеятельности человека ([18],[19],[20]). \
Таким образом, для получения энергии остаются апробированные источники, такие как уголь, запасы которого закончатся в следующем веке, вода (гидроэнергетика), которая не способна самостоятельно обеспечить необходимые мощности, и растительное сырье, возможности которого удовлетворять современные потребности в энергии исследованы слабо. Анализ проблемы обеспечения энергией показывает:
Постоянный рост цен на энергоносители с определённого момента может превысить возможность их оплаты, что приведет к ограничению и сворачиванию жизнедеятельности общества.
Времени для решения проблемы нахождения альтернативы нефти и газу остается около 40 лет.
Альтернативное решение должно базироваться не на уникальном исчерпаемом энергоресурсе, а на непрерывно возобновляющемся, например, растительном сырье.
В связи с этим проблема обеспечения энергией является актуальной.
Поэтому в последние годы во всем мире возрос интерес к возобновляемым источникам энергии ([21],[22],[23]).
Одним из направлений решения данной проблемы является исследование возможностей использования растительного сырья в качестве альтернативного источника энергии и повышение эффективности переработки растительного сырья в топливо ([24],[25],[26]).
Само по себе использование растительного сырья в качестве источника энергии известно давно (дрова). Однако, для промышленного использования такой способ получения энергии непригоден. Поэтому растительное сырье перерабатывают в топливный газ с помощью технологий, основанных на ферментации, сбраживании, гидрогенизации, газификации, пиролизе ([27],[28]). Из перечисленных технологий переработки растительного сырья максимальной эффективностью обладает процесс пиролиза.
В настоящее время исследования и разработки процессов и установок пиролиза растительного сырья проводятся во всем мире. Например, Министерством энергетики США утверждена государственная программа по переработке биомассы (U.S. Department of Energy's Biomass Program), которой занимается специальное подразделение - Национальный центр по биоэнергетике (National Bioenergy Center) на базе Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии (National renewable energy laboratory). Подобной деятельностью занимаются такие организации, как «Biomass technology group» из Нидерландов, «Friends of the Earth» и из Великобритании, «Biomass energy foundation» из США и др. В России вопросами термической переработки древесины в середине XX века занимался коллектив исследователей под руководством Корякина В.И.. А в
7 настоящее время вопросами практической реализации установок пиролиза занимается производственная фирма «Синтур» из Екатеринбурга.
Однако, в широких масштабах процесс пиролиза растительного сырья для получения энергоносителей не используется. Причинами этого являются наличие большого количества остаточных продуктов реакций (до 75% от начальной массы сырья) и неэкономичность существующих технологий пиролиза растительного сырья.
Исходя из этого, целью работы является научное обоснование технических и технологических разработок, направленных на повышение эффективности переработки растительного сырья в топливный газ.
Отсюда вытекают задачи исследований:
анализ традиционных способов и устройств получения энергоносителей из растительной массы и обоснование выбора установок пиролиза в качестве объекта исследований; .
анализ традиционных схем и устройств пиролитической переработки растительного сырья в энергоносители для определения наиболее существенных факторов, влияющих на удельные затраты на выработку единицы объема энергоносителей (топливного газа) и на эффективность установок;
научное обоснование схемы и элементов конструкции установки пиролиза растительного сырья, обеспечивающих повышение эффективности установки и снижение удельных затрат на выработку единицы объема топливного газа;
определение зависимости объема выработки топливного газа от затрачиваемой энергии для разработанной установки пиролиза растительного сырья;
разработка системы управления установкой пиролиза, обеспечивающей повышение эффективности, включающая:
5.1) разработку математической модели, отражающей динамические свойства установки пиролиза,
определение стратегии управления и разработку структуры системы управления,
определение параметров модели системы управления и проверку эффективности работы алгоритма управления с помощью имитационного моделирования.
Предполагается провести системный анализ существующих конструкторских решений установок пиролиза, разработать и создать конструкцию лабораторной установки, провести экспериментальные исследования и создать математическую модель установки для разработки системы управления и оптимизации ее работы путем имитационного моделирования.
В первой главе проведен анализ известных в мировой практике технологий переработки растительного сырья в энергоносители, в результате которого обосновано использование процесса пиролиза в качестве объекта исследований.
Во второй главе проведен системный анализ известных схем пиролиза, определены способы повышения эффективности процесса пиролиза растительного сырья и реализованы конструкторские решения, обеспечивающие увеличение выхода топливного газа за счет возврата пиролизных смол в термореактор.
В третьей главе на основе экспериментальных исследований созданной автором пиролизнои установки разработаны ее математические модели и проведена проверка их адекватности экспериментальным данным.
В четвертой главе разработана модель системы автоматического управления пиролизнои установкой, исследованы ее параметры и разработана методика синтеза системы управления.
Положения, выносимые на защиту:
основные конструкторско-технологические факторы, влияющие на удельные затраты на выработку единицы объема топливного газа и на эффективность установок пиролиза;
9 научно обоснованная схема и конструкции элементов установки пиролиза с повышенной эффективностью;
экспериментальные временные зависимости объема топливного газа от затрачиваемой энергии для разработанной установки пиролиза растительного сырья;
соотношения, связывающие объем топливного газа и количество затраченной энергии в установке пиролиза с повышенной эффективностью с массой загружаемого сырья;
математические модели, описывающие динамику работы установки пиролиза, основанные на экспериментальных данных;
закон управления пиролизной установкой на основе предложенного показателя эффективности расходования энергии на выработку единицы объема топливного газа;
математическая модель системы автоматического управления установкой пиролиза растительного сырья.
В заключение хотелось бы поблагодарить тех людей, без которых данная работа была бы невозможна,: моего папу, Глушкова Александра Ивановича, наставившего меня на данный путь и оказывавшего величайшую поддержку, моего научного руководителя Ушакова Петра Архиповича, кандидата технических наук, доцента, который направлял мои действия в нужное русло, ставил задачи и давал ценные рекомендации, доктора технических наук, профессора Алексеева Владимира Александровича, дававшего ценные методические советы и оказывавшего огромную помощь, кандидата физико-математических наук, профессора Демакова Юрия Павловича, оказавшего большую методическую помощь и поддержку, а также всех тех, кто тем или иным образом способствовал данной работе.
Современные технологии получения энергоносителей из растительного сырья
Основными технологиями переработки растительного сырья в энергоносители являются ферментация, гидрогенизация, газификация и пиролиз ([27],[28],[29]): 1. Ферментация - сбраживание под действием микроорганизмов ([30],[31],[32]). 1.1. Анаэробная ферментация с образованием горючего газа - метана в ферментерах - биотэнках для получения биогаза. 1.2. Сбраживанием углеводов (сахаристых и крахмалистых веществ) под действием специальных культур - дрожжей получается этанол -этиловый спирт. Эта технология перспективна для стран, производящих сахар. 1.3. Химическое превращение целлюлозы в глюкозу (гидролиз под действием химических агентов - серной или соляной кислоты, или высокой температуры) с ее последующим сбраживаением. Основными недостатками технологий ферментации являются: - низкая динамика процессов, - большие габариты установок, - наличие отходов процесса и необходимость их утилизации. 2. Гидрогенизация - извлечение кислорода путем пропускания водорода под давлением при высокой температуре. В результате образуются продукты более легкие, чем исходное сырье и с большим содержанием водорода. Однако, ввиду большого расхода водорода, подводимой энергии, сложного технологического оформления процесса деструктивная гидрогенизация развития не получила ([33],[34]). 3. Газификация - получение топливного газа из растительной массы путем неполного окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре в газогенераторах. Она характеризуется: высокой динамикой процесса, низкой теплотворной способностью газогенераторных газов, наличием зольного и коксообразного остатков, требующих утилизации, необходимостью очистки топливного газа и простотой конструкций установок ([35]). 4. Пиролиз растительной массы - термическая деструкция биомассы без доступа воздуха. Он характеризуется: высокой динамикой процесса, простотой конструкции установок, использованием, как правило, косвенного обогрева, что снижает ее эффективность, необходимостью утилизации продуктов реакции, очистки топливного газа, низкими энергетическими показателями топливного газа ([36],[37],[38],[39],[40]). Из анализа рассмотренных технологий переработки растительной массы остановимся на технологиях газификации и пиролиза, характеризующихся высокой динамикой процессов, имеющих простые конструкции и небольшие габариты установок с целью применения их в автономных силовых установках. Установки газификации, называемые иначе газогенераторами, изначально применялись для питания двигателей внутреннего сгорания ([41], [42],[43]). В нашей стране они появились еще в 20-е гг. XX веке. ([43]). Существуют два основных типа конструкций газогенераторных установок ([44]), отличающихся способом расположения реакционных камер: шахтная схема и барабанная схема. В случае шахтной схемы корпус реакционной камеры установлен вертикально, и сырьё загружается в неё под собственным весом параллельно оси камеры. В случае барабанной схемы корпус реакционной камеры устанавливается горизонтально, и сырьё загружается либо также параллельно оси камеры, но с горизонтальной подачей, либо вертикально, под собственным весом, перпендикулярно оси камеры. В качестве примера рассмотрим газогенераторную установку питания газогенераторного двигателя ЗИС-21 ([41]), (рис. 1.1). В ней твердое топливо (преимущественно древесина) преобразуется в газообразное. Газогенераторная установка состоит из газогенератора, грубого и тонкого очистителей-охладителей газа, смесителя газа и воздуха и вспомогательной аппаратуры.
Анализ возможности увеличения энергетических характеристик пиролизного топливного газа и выбор направлений повышения эффективности пиролитической переработки растительной массы
Рассмотрим пиролизную установку как некоторую систему ([62-66]), осуществляющую анаэробную термическую переработку растительного сырья в выходные продукты (рис. 2.1). Здесь X - множество входов системы, Y - множество выходов, W -оператор системы. X включает в себя подмножества U- управляемые входы, V- неуправляемые входы, или: Х= U+ V. Из множества управляемых входов U выделим наиболее существенные, без которых система не может достигать цели: и і - количество перерабатываемого сырья (масса), щ - количество энергии, затрачиваемое на процесс. Традиционная схема пиролиза предполагает получение трех продуктов реакции ([67], [68]): топливного газа, жидкой составляющей (карбоновые кислоты, смолы, вода), твердого остатка (углерода). Поэтому множество выходов Y будут составлять у і - количество топливного газа, у2 - количество жидкого пиролизата, у з - количество углеродного остатка. С учетом этого, система «пиролизная установка» примет вид, изображенный на рис. По отношению к массе исходной загрузки продукты реакций соответственно составляют: - газ-22-24%; - углерод - 24-25%; - жидкий пиролизат-50-55% ([67], [68]). При этом энергетические характеристики топливного газа (применительно к сухой древесине) составляют ([67], [68]): - выработка 0,33+0,43 м /кг; - теплотворная способность 14-й 6 МДж/м3. Таким образом, при переработке пиролизом 1 кг сухой древесины от сжигания образовавшегося топливного газа получается 4,6+6,9 МДж энергии. Это составляет 46+58% от теплоты сгорания 1 кг сухой древесины 10+12 МДж/кг ([58], [59]). Однако, несмотря на разницу в получаемой энергии от сжигания, использование топливного газа более технологично, поскольку современные энергогенерирующие устройства не приспособлены для использования древесины в чистом виде (камеры сгорания силовых установок, горелки топочных устройств и т.д.). Теплотворная способность топливного газа существенно уступает теплотворной способности традиционных топлив (нефть - 44 МДж/кг, природный Таз - 36 МДж/м3) ([58], [59]) и составляет 10+15% от нее. Это, в частности, обусловлено и тем, что в энергоноситель перерабатывается только примерно одна четверть продуктов пиролиза -топливный газ, тогда как оставшиеся три четверти требуют дополнительной переработки либо утилизации. Схематически материально-энергетический баланс традиционного процесса пиролиза представлен на рис. 2.3.
Исследования экспериментальной установки
Схема экспериментальной установки изображена нарис. 3.1. Она состоит из пиролизного реактора, к нагревательному элементу которого подключен источник питания ИП. Ток и напряжение РШ контролируются соответственно амперметром А и вольтметром V. Выходной газоход пиролизного реактора соединяется с конденсатором, который имеет два выходных патрубка: один подсоединен к пиролизному реактору и предназначен для подачи пиролизных смол обратно в реактор, а другой через патрубок, соединяется с гидрозатвором. Гидрозатвор, в свою очередь, соединен с барботером. Гидрозатвор и барботер предназначены, во-первых, для предотвращения попадания кислорода воздуха внутрь пиролизного реактора, а во-вторых, для осаждения из проходящего через них газа содержащихся в нем паров карбоновых кислот. Выход барботера соединен со счетчиком газа. Счетчик газа через патрубок соединяется с газовой горелкой. С помощью горелки производился нагрев измерительной емкости с водой (на схеме не показана) с целью последующего вычисления теплотворной способности топливного газа. На рис. 3.2. приведен общий вид экспериментальной лабораторной установки, созданной автором. При проведении экспериментов использовались средства контроля и измерений промышленного производства. Мультиметр М-266 цифровой с бесконтактным датчиком тока для измерения тока нагревательного элемента. Технические характеристики: Метод обработки: АЦП двойного интегрирования; Калибровка переменного тока в эффективных значениях синусоиды. Мультиметр М-838 цифровой для измерения напряжения на нагревательном элементе Технические характеристики: Метод обработки: АЦП двойного интегрирования; Измерение переменного напряжения: Калибровка переменного напряжения в эффективных значениях синусоиды. Счетчик газа объемный диафрагменный NPM-G4. Технические характеристики: Циклический объем 1,2 дм3; Максимальный расход газа (QMAKC) 6 м3/час; Номинальный расход газа (QHOM) 4 м /час; Минимальный расход газа (QMHH) 0,04 м /час; Наибольшее избыточное рабочее давление 50 кПа; Пределы допустимой относительной погрешности в диапазонах расходов: Допускаемая потеря давления при QMAKC не более 200 Па; Порог чувствительности не более 0,002 QHOMI Цена деления отсчетного устройства 0,2 дм3. Напряжение питания нагревателем U формируется с помощью схемы, изображенной на рис. 3.3.
Постановка задачи управления
Эффективность расходования приложенной мощности для осуществления процесса пиролиза в третьей главе предложено оценивать величиной выработанного объема газа на единицу затрачиваемой энергии, определяемой как На рис. 4.1 изображен характер изменения этого показателя от времени, прошедшего с начала процесса пиролиза, при постоянном уровне мощности, прикладываемой к нагревательному элементу установки. Здесь выделяются три характерных участка: 1. Начальный, соответствующий выходу установки в установившийся режим; 2. Участок устойчивой выработки, когда эффективность установки наибольшая и показатель эффективности рд незначительно изменяется относительно некоторого постоянного уровня; 3. Конечный, соответствующий завершению процесса, когда объем выработанного газа стремится к своему предельному значению. Анализ графика показывает, что среднее значение показателя эффективности процесса, отображаемое на графике прямой линией, гораздо ниже, чем его значение на участке установившегося режима. Поэтому, минимизация затрат энергии при выработке максимально возможного для данной массы сырья количества газа при повышении среднего значения показателя (4.1) является задачей оптимизации работы установки. Затраты энергии в разгонной области определяются исходными параметрами загруженного сырья. Они являются неизбежными, необходимыми для вывода процесса на режим устойчивой выработки газа. Поэтому уменьшить общие затраты энергии за счет уменьшения затрат на разгонную область нельзя [67]. Остается искать возможности повышения эффективности за счет правильной стратегии завершения процесса. Таким образом, задачу управления установкой пиролиза можно сформулировать как формирование такой стратегии завершения процесса, при которой максимизируется выработка газа и минимизируются энергетические затраты. Из рис. 4.1 видно, что на участке завершения процесса при постоянстве затрат энергии выработка газа уменьшается. Данное обстоятельство обусловлено свойствами самого процесса пиролиза. Очевидно, что прикладывать такую же мощность, что и в области устойчивой выработки, становится нерационально. Для решения поставленной задачи управления необходимо закон изменения мощности во времени задавать таким, чтобы сохранялся максимальный уровень PQ, достигнутый в области устойчивой выработки, т.е. Преобразуем формулу (4.2) к следующему виду: Отсюда закон управления, обеспечивающий решение поставленной задачи управления, запишется следующим образом: отражая тот факт, что с уменьшением скорости выработки необходимо пропорционально уменьшать и мощность, прикладываемую к нагревателю.