Національна металургійна академія України

ШИШКО ЮЛІЯ ВІКТОРІВНА

УДК 662.6/.7:620.9.004.67

На правах рукопису

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧА ТЕХНОЛОГІЯ ОТРИМАННЯ ПАЛИВНОГО ГАЗУ З БІОМАСИ ТА ЙОГО СПАЛЮВАННЯ В ПІЧНИХ АГРЕГАТАХ

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ГУБИНСЬКИЙ Михайло Володимирович,

Національна металургійна академія України,

завідувач кафедри промислової теплоенергетики,

м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, академік АІН України

БУЛЯНДРА ОЛЕКСІЙ ФЕДОРОВИЧ,

Національна університет харчових технологій,

професор кафедри теплотехніки, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент

КРЮЧКОВ ЄВГЕН МиКОЛАЙОвич,

Запорізька державна інженерна академія,

доцент кафедри промислової теплоенергетики,

м. Запоріжжя.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ 23 ” червня 2004 р. у 12 30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

Автореферат розісланий “ 20 ” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

Актуальність роботи. Аналіз світового досвіду енергетичного використання біомаси показує, що цей вид палива не може конкурувати на ринку з традиційними (викопними видами). За рубежем розвиток цього сектора енергетики відбувається при державній підтримці у вигляді субсидій, грантів, податкових пільг тощо. В Україні в даний час реальна економічна підтримка біоенергетики відсутня, однак Україна має значний потенціал біомаси у виді відходів сільського господарства та деревопереробки, які можна використовувати з метою одержання теплової та електричної енергії.

Основні труднощі при використанні відходів біомаси в існуючих енергоагрегатах виникають через розходження гранулометричного і хімічного складу біомаси та основних викопних палив, що використовуються у енергоагрегатах. Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є створення індивідуальних агрегатів, призначених виключно для спалювання і термічної переробки біомаси, що приведе до створення паралельної інфраструктури енергетичного виробництва та відповідно до збільшення капітальних і експлуатаційних витрат. Інший шлях – пошук технологій, що дозволяють використовувати біомасу як альтернативне паливо в діючих пристроях. Відповідно до цього, актуальною задачею є створення процесів і устаткування для спільного використання викопних видів палива і біомаси в існуючих енерготехнологічних агрегатах, у тому числі, розробка наукових основ для створення процесів одержання висококалорійного паливного газу з біомаси і її відходів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконана відповідно до планів Міністерства освіти і науки України і науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ), теми: Г007010005 “Розробка універсальної технології та устаткування для переробки органічних відходів з метою одержання синтетичного палива”, Г811F10008 “Теоретичні та експериментальні дослідження і розробка наукових основ теплової обробки органічних відходів”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є створення енергозберігаючої технології одержання висококалорійного газу з біомаси та його спалювання в енерготехнологічних агрегатах при частковій заміні викопного палива – природного газу.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

Об'єкт дослідження – процес одержання висококалорійного паливного газу при піролізі відходів біомаси та його спалювання в нагрівальній печі.

Предмет дослідження – відходи біомаси, а також агрегати і технології для їхньої термічної обробки.

Методи досліджень. Математичне моделювання і експериментальні дослідження процесів тепломасообміну і піролізу у вільнопадаючому та зваженому шарі відходів біомаси. Експериментальні дослідження піролізу відходів біомаси, швидкості витання, аеродинамічного опору щільного шару часток біомаси, температури запалення відходів, а також, умов ущільнення біомаси при транспортуванні, проводилися на установках, створених на кафедрі промислової теплоенергетики НМетАУ.

Наукова новизна отриманих результатів.

Отримано нові експериментальні дані властивостей відходів біомаси, як енергетичного палива, а саме:

- одержано емпіричну залежність гранулометричного розподілу часток лузги соняшника по еквівалентному діаметрі;

-

-

На підставі математичного моделювання процесів термічної обробки часток біомаси уперше розроблено двохстадійні процеси термічної обробки біопалива у зваженому шарі.

Уперше експериментально отримані залежності аеродинамічного опору щільного шару лузги соняшника і деревної стружки при зміні порозності шару в діапазоні 0,2 – 0,73 та залежність зміни щільності шару відходів біомаси від тиску його стиску в діапазоні 0 – 0,5 МПа.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено технологічні схеми роботи нагрівальної печі і піролізера при часткової заміні природного газу на піролізний (патент України № 471212А);

- розроблено методику оцінки ефективності економії природного газу при спільній роботі нагрівальної печі і піролізера;

- розроблено спосіб завантаження дрібнодисперсної біомаси в енергетичні агрегати, що забезпечує герметичність робочої камери за рахунок ущільнення шару матеріалу, який завантажується, безперервність і рівномірність його подачі;

- розроблено технічне завдання на дослідну установку для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря.

Особистий внесок здобувача. Особисто дисертантом виконано аналіз ефективності використання біомаси як палива [5, 14, 17]; розроблено та досліджено технологічні схеми сумісної роботи нагрівальної печі та піролізера [7-9, 11, 12, 15, 16]; розроблено методики проведення експериментів для визначення необхідних властивостей біомаси, виконано обробку даних, отриманих у ході досліджень, а також аналіз та узагальнення результатів [3, 4, 6, 10, 13]; розроблено математичні моделі роботи печі і піролізера з вільнопадаючим шаром і піролізу в потоці гарячого повітря та методику оцінки ефективності запропонованих схем [1, 2, 8]. Експериментальні дослідження, що ввійшли в дисертаційну роботу, розробка технічного завдання на дослідну установку для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря виконані безпосередньо автором за участю співробітників кафедри промислової теплоенергетики НМетАУ, що знайшло відображення в спільних публікаціях.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на 11 міжнародних наукових конференціях: міжнародній конференції “Проблемы печной теплотехники”, Дніпропетровськ, 1999, 18 – 20 травня; 4th Biomass Conference of the Americas, Oakland, California (USA), 1999, August 29 – September 2; 2 International Scientific Conference “Effective production, transmission and consumption of energy”, 7 International Scientific Conference “Energy transformations in industry”, Kosice – Herl’any (Slovak Republic), 2000, 2 – 5 October; міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века”, Москва, 2000, 15 – 17 листопада; науково-технічній конференції “Запорожсталь – 2000”, Запоріжжя, 2000, 30 листопада – 1 грудня; науково-технічній конференції “Енергоефективність та нетрадиційні джерела енергії – один із напрямків заміщення генеруючих потужностей блоків ЧАЕС”, Київ, 2001, 28 – 29 березня; miedzdynarodowa sesje naukowa “Millennium II”, Katowice (Poland), 2001, 10 maja; міждународій науково-практичній конференції “Интегрированные технологии и энергосбережение” (ИТЭ – 2001), Крим, Малий Маяк, 2001, 11 – 16 травня; міждународій науково-практичній конференції “Интегрированные технологии и энергосбережение” (ИТЭ – 2002), Крим, Малий Маяк, 2002, 11 – 16 травня; міжнародній конференції “Энергия из биомассы”, Київ, 2002, 23 – 26 вересня; міжнародній конференції “Теплотехника и энергетика в металлургии”, Дніпропетровськ, 2002, 1 – 3 жовтня.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 друкованих праць, з яких 4 – статті в спеціалізованих наукових журналах, 4 – у збірниках наукових праць, 8 – у матеріалах і працях науково-практичних конференцій, 1 патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, висновку і додатків. Загальний обсяг роботи складає 100 стор. машинописного тексту, 26 таблиць, 32 малюнка, 7 додатків. Список використаної літератури містить 115 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень. Приведено нові наукові результати, які отримані в роботі, показана їхня практична цінність, визначений особистий внесок здобувача, представлені відомості щодо апробації роботи.

В першому розділі дисертаційної роботи проведений аналіз енергетичного використання біомаси в Україні і за кордоном. Аналіз показав, що біомаса, як паливо, не може конкурувати з викопними видами палива і її використання за кордоном відбувається при активній економічній підтримці держави шляхом введення відповідних податків і пільг. В Україні реальна підтримка держави в даний час відсутня, тому актуальною є розробка процесів і установок, що не вимагають значних матеріальних витрат і використовують біомасу, яка є відходами сільського господарства і деревообробки. Основні роботи в цьому напрямку в Україні ведуться співробітниками Інституту теплофізики НАН України та інженерно-технічного центру “Біомаса”.

Проведено порівняльний аналіз основних способів переробки відходів біомаси: прямого спалювання, газифікації і піролізу з погляду одержання висококалорійного паливного газу. Встановлено, що при використанні як сировини дрібнозернистих відходів біомаси (лузга соняшника, тирса і т.д.) перевагу має технологія “повільного” піролізу (тривалість обробки до 1 хвилини) з відносно низькими робочими температурами (до 600 °С). При цьому теплота згоряння отриманого газу вдвічі перевищує аналогічний показник для генераторного газу, а також, можливе одержання додаткового економічного ефекту від реалізації коксового залишку. Зроблені висновки підтверджено експериментальними дослідженнями процесу піролізу відходів біомаси при різних режимах. Встановлено, що “повільний” піроліз дрібнодисперсних відходів біомаси з використанням летючих продуктів піролізу в гарячому стані дозволяє цілком реалізовувати енергетичний потенціал піролізного газу та виключити витрати на його очищення.

У другому розділі дисертаційної роботи представлені схеми енергетичного використання біомаси разом з нагрівальними печами. Теплота продуктів згоряння, які ідуть з печі, використовується для нагрівання відходів біомаси, а отриманий піролізний газ використовується на опалення печі і часткову заміну природного газу. Розглянуто три варіанти розташування піролізера за нагрівальною піччю: до рекуператора (рис. 1, а), після рекуператора (рис. 1, б), а також, схема піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря (рис. 1, в).

Необхідні для моделювання процесів термічної переробки властивості відходів біомаси –гранулометричний склад, насипна і дійсна щільність, швидкість витання часток, температура запалення в потоці гарячого повітря – визначалися експериментально.

Дослідження гранулометричного складу лузги соняшника виконано за даними прямих вимірів. В результаті отримано регресійну залежність інтегрального розподілу часток лузги соняшника по еквівалентному діаметрі, що дозволяє визначити частину часток, розмір яких менше чи дорівнює заданому значенню. Коефіцієнт кореляції складає R2 > 0,9, середньоквадратична помилка – 3,2 %

NX = 149 · dЕ – 202 · dЕ 2 + 86, 6 · dЕ 3 – 11 · dЕ 4, (1)

де NX – частина часток з еквівалентним діаметром, меншим dЕ, %; dЕ – еквівалентний діаметр частки, м.

Насипна і дійсна щільності лузги соняшника склали: ?НАС = 90 ± 2,3 кг/м3, сДІЙСН = 390 ± 55 кг/м3.

При експериментальному визначенні швидкості витання шару лузги соняшника контролювалися витрата повітря, кількість і склад уносу. Швидкість, при якій виникає стійкий киплячий шар, складає 1,54 – 1,76 м/с, величина уносу часток при переході полідисперсного шару в зважений стан досягає 12,7 – 26,4 %, середній еквівалентний діаметр винесених часток дорівнює 2,19 – 2,57 мм. Порівняння розрахункових значень швидкості витання, отриманих за допомогою апробованих на практиці емпіричних залежностей (Лященко П.В., Тодес О.М., Гельперін Н.І., Горбіс З.Р. та ін.) та експериментальних даних дозволило уточнити залежність для розрахунку динамічного коефіцієнта форми часток шляхом зміни показника ступеня n з 0,9 до 0,5, що дозволило знизити погрішності розрахунків швидкості витання для лузги соняшника з 20 до 7 %.

Технічним обмеженням варіанта окисного піролізу (рис. 1, в) є можливість запалення відходів біомаси в потоці гарячого повітря. У зв'язку з цим, в роботі були проведені експериментальні дослідження температури запалення різних видів відходів біомаси (лузга соняшника, рисове лушпиння, гречане лушпиння, тирса хвойних порід деревини) при продувці шару відходів потоком гарячого повітря. Значення температури гарячого повітря на вході в шар, при якій відбувається запалення біомаси, склало 370 – 420 С в залежності від виду відходів.

В третьому розділі роботи представлена методика визначення економії природного газу при спільній роботі нагрівальної печі і піролізера, заснована на традиційних положеннях теорії печей Дніпропетровської наукової школи. Залежність для розрахунку відносної економії природного газу ЕПГ має вид:

, (2)

де ЕПГ – економія природного газу в % від витрати палива при автономній роботі печі; А – частка природного газу в суміші; – теплота згоряння піролізного і природного газу відповідно, МДж/м3; зПГ, зСУМ – коефіцієнт використання теплоти палива при роботі печі на природному газі і суміші природного і піролізного газів.

Результати розрахункових досліджень показали, що основний вплив на величину економії природного газу здійснює теплота згоряння летючих продуктів піролізу, що надходять у піч, а, відповідно й фактори, що визначають : вологість вихідної біомаси і зміст смол у летючих продуктах піролізу. При розташуванні піролізера перед рекуператором (див. рис. 1, а) технічно можлива заміна 80 – 90 % природного газу летучими продуктами піролізу. При розміщенні піролізера після рекуператора (див. рис. 1, б) гранична величина економії природного газу складає до 30%, а при використанні процесу піролізу в потоці гарячого повітря (див. рис. 1, в) вона може досягати 60 %.

У технологічних схемах (рис. 1, а, б) піролізер розміщується в борові димового тракту нагрівальної печі. Нагрівання і піроліз відходів біомаси в піролізері відбувається в процесі вільного падіння часток за рахунок теплопередачі від стінок камери піролізу, що омиваються зовні гарячими димовими газами (рис. 2).

В основі моделювання піролізера прийнято модель перехресноточного теплообмінника, у якого гарячим теплоносієм є димові гази, а холодним – відходи біомаси. При складанні моделі кількість теплоти, яку повинні одержати відходи біомаси, визначалася з умов теплового балансу процесу піролізу. Піроліз був представлений як триступеневий процес: на першому ступені здійснюється нагрівання біомаси до температури tП = 300 є? – температури піролізу, при цьому розкладання відходів не відбувається; при досягненні температури tП має місце другий ступінь процесу – миттєва хімічна реакція повного розкладання біомаси з виділенням теплоти екзотермічних реакцій, за рахунок якої здійснюється нагрівання продуктів піролізу від температури 300 ?С до температури теплової рівноваги tР; на третьому ступені за рахунок підведеної ззовні теплоти відбувається нагрівання продуктів піролізу від температури tР до кінцевої температури процесу tК.

У ході розрахунків теплового балансу процесу піролізу визначено, що для досягнення автотермічного режиму (нагрів відходів біомаси до температури 300 ?С) необхідні витрати теплоти становлять 750 – 1980 кДж/кг залежно від вологості вихідної біомаси. Подальший розігрів відходів та стійке протікання процесу можуть бути досягнуті за рахунок тепловиділення реакцій розкладання біомаси, яке складає 655 – 955 кДж/кг. Гранична температура кінця піролізу tР, яка досягнута за рахунок теплоти екзотермічних реакцій (без урахування втрат), сягає 520 – 660 ?С.

Результати чисельного дослідження роботи піролізера представлено на рис. 3, з якого виходить, що на розмір теплообмінної поверхні піролізера F значний вплив здійснюють температура димових газів tД на вході в піролізер, витрата біомаси МБМ і її вологість. Температура димових газів, що забезпечує мінімум капітальних витрат на піролізер (F < 10 м2) та ефективну його роботу з витратами біомаси від 2,5 до 6 кг/хв при вологості 15 % , складає 800 - 900°С.

Під час подачі біомаси в потік гарячого повітря відбувається теплообмін, у результаті якого в газовзвесі встановлюється теплова рівновага. При цьому рівноважна температура повинна, з одного боку, забезпечити стійкий вихід летючих продуктів з біомаси і перехід реакції піролізу в автотермічний режим, а з іншого боку, вона не повинна перевищувати температуру, при якій відбувається запалення біомаси (370 ?С). Використовуючи рівняння теплового балансу, визначено граничні значення питомих витрат біомаси n, які забезпечують температурні вимоги процесу – n = 0,084–0,347 (кг біомаси)/(кг повітря) у залежності від температури повітряного потоку на вході в установку (350 – 500 С).

Чисельні дослідження динаміки нагрівання біомаси в потоці гарячого повітря проводились на підставі залежностей щодо прямоточної схеми теплообміну у зваженому шарі:

, (3)

де ф – термін нагрівання часток в потоці повітря до досягнення теплової рівноваги, с;

– початкова температура біомаси і повітря, відповідно, С;

сДІЙСН – дійсна щільність часток біомаси, кг/м3;

бП-БМ – коефіцієнт тепловіддачі між повітрям і частками біомаси, Вт/(м2·К);

сБМ, – масові питомі теплоємності біомаси та повітря, Дж/(кг · К);

ВЧ – товщина часток біомаси, м;

k1 – коефіцієнт масового навантаження (для пластин k1 = 1);–

кінцева температура біомаси, С.

Результати розрахунків динаміки нагрівання часток біомаси (рис. 4) та виходу летючих компонентів (рис. 5) показали, що весь технологічний цикл може бути розділено на дві стадії. Перша – це нагрів відходів біомаси в процесі вільного падіння чи руху в потоці гарячого повітря, її тривалість складає 5-10 с. Друга стадія – розкладання відходів біомаси в щільному шарі, її тривалість до 30 с. Енергетичне забезпечення другої стадії піролізу відбувається за рахунок теплоти екзотермічних реакцій розкладання біомаси. Спосіб піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря захищено патентом України № 471212А.

В четвертому розділі дисертаційної роботи розроблено конструкцію вузла завантаження дрібнодисперсної біомаси в енергетичні агрегати (рис. 6), яка забезпечує герметичність робочої камери, безперервність і рівномірність подачі матеріалу, що завантажується. Вузол завантаження являє собою дозатор, у якому газощільність створюється за рахунок ущільненого шару відходів біомаси (“пробки”), що утворюється в наслідок переміщення відходів по циліндричному каналі. Ущільнення і переміщення відходів здійснюється шнеком, що подає матеріал з бункера в агрегат.

У ході розробки вузла завантаження було отримано дані про закономірності ущільнення матеріалу під час його руху по каналу та залежності опору шару відходів біомаси від його щільності, а також, умови руху ущільненого матеріалу.

Порівняння експериментальних та розрахункових даних втрат тиску, обчислених по відомим залежностям (Аеров М.Е., Тодес О.М., Кутателадзе С.С. та ін.) (рис. 7), показало значну відмінність розрахункових і експериментальних даних, що пов'язано із специфікою форми часток

біомаси та зміною порозності шару Е в широкому діапазоні. У зв'язку з цим було проведено експериментальні дослідження аеродинамічного опору шару лузги соняшника і тирси при зміні Re = 5 ? 60, E = 0,2 ч 0.73. ?кспериментальні дані було узагальнено у вигляді залежності:

, (4)

де коефіцієнт b = 0,7; коефіцієнт а є функцією порозності шару Е (табл. 1). Відносна погрішність обчислення коефіцієнта аеродинамічного опору складає: для лузги соняшника 10 –14 %, для тирси – 20 %.

Таблиця 1.

Залежності для обчислення коефіцієнта а

Вид біомаси | Залежності

Лузга соняшника | а = 105·(– 9,69·Е3 + 19,34·Е 2 – 12,97·Е + 2,94)

Тирса | а = 1,2·106· е – 10,5·Е

Результати експериментального дослідження ущільнення біомаси під дією стискаючого зусилля (рис. 8), дозволили одержати емпіричну залежність щільності шару біомаси від тиску ущільнення Р. Експерименти проведені при зміні маси відходів, що ущільнюються, від 0,4 до 0,6 кг.

, кг/м3, (5)

де х = 0,4 і у = 87,3 – емпіричні коефіцієнти.

Величина середньої відносної погрішності визначення щільності “пробки” відходів біомаси по залежності (5) не перевищує ±15 %.

На підставі умов рівномірного руху “пробки” по циліндричному каналі та отриманих експериментальних залежностей (4), (5), (табл.1) створено методику визначення конструктивних характеристик завантажувального пристрою і режимних параметрів його роботи. Проведені чисельні дослідження (рис. 9) дозволили одержати регресійну залежність зусилля ущільнення шару відходів біомаси Р від діаметра каналу d, надлишкового тиску в апараті ?P і припустимого рівня витоків Q газу. Відносна погрішність розрахунків не перевищує 20 %:

(6)

Оцінка економічної ефективності запропонованих технологічних схем роботи піролізера і нагрівальної печі (рис. 1) показала, що економія природного газу підчас нагрівання забезпечує окупність проекту менш ніж за 1 рік.

Результати досліджень, які отримано в дисертаційній роботі, було використано при розробці технічного завдання на дослідну установку ВАТ “Дніпротехнологія” для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря з потужністю до 150 кВт.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено науково-технічну задачу створення енергозберігаючої технології одержання висококалорійного газу з біомаси та його спалювання в енерготехнологічних агрегатах з метою часткової заміни викопного палива – природного газу. На основі дослідження властивостей відходів біомаси і математичного моделювання процесів теплообміну та піролізу відходів розроблено двохстадійні процеси термічної переробки біомаси у зваженому шарі, визначено їхні технологічні параметри, а також розроблено конструкції основних вузлів установок піролізу. Проведені дослідження дозволяють зробити наступні узагальнення та висновки:

1. Порівняння способів термічної переробки відходів біомаси (пряме спалювання, газифікація і піроліз) показали, що технологія піролізу має певні переваги, а саме:

·

·

·

2. Розроблено технологічні схеми роботи нагрівальної печі з частковою заміною природного газу продуктами піролізу відходів біомаси з розміщенням піролізера до і після рекуператора, а також схему піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря (патент України № 471212А).

3. Експериментально досліджено властивості відходів біомаси як палива для енерготехнологічних агрегатів. У результаті отримано: регресійну залежність інтегрального розподілу часток лузги соняшника по еквівалентному діаметрі; значення насипної і дійсної щільності лузги соняшника: (сНАС = 90 ± 2,3 кг/м3, сДІЙСН = 390 ± 55 кг/м3); уточнену залежність для розрахунку динамічного коефіцієнта форми часток лузги соняшника, що дозволило знизити погрішність розрахунків швидкості витання з 20 до 7 %; температуру запалення відходів біомаси в потоці гарячого повітря (370 – 420 С).

4. Розроблено методику оцінки ефективності економії природного газу підчас спільної роботи нагрівальної печі і піролізера. Встановлено, що максимальна величина заміни природного газу при розміщенні піролізера після нагрівальної печі перед рекуператором може досягати 80 – 90%, при розміщенні піролізера за рекуператором – до 30 %, при використанні процесу піролізу в потоці гарячого повітря – до 60 %.

5. На основі математичного моделювання роботи печі і піролізера із вільнопадаючим шаром і піролізу в потоці гарячого повітря розроблено двохстадійну схему процесу використання відходів біомаси: нагрів біомаси в зваженому шарі протягом 5–10 с та подальше розкладання відходів біомаси в щільному шарі тривалістю 20 –30 с.

6. Визначено граничні значення питомих витрат біомаси, що забезпечують реалізацію процесу піролізу в потоці гарячого повітря, які складають 0,084 – 0,347 (кг біомаси)/(кг повітря) в залежності від температури повітряного потоку (350 – 500 С) і вологості біомаси.

7. Розроблено спосіб завантаження дрібнодисперсної біомаси в енергетичні агрегати, що утворює герметичність робочої камери за рахунок ущільнення шару матеріалу, який завантажується, та забезпечує безперервність і рівномірність його подачі.

На підставі експериментальних досліджень аеродинамічного опору шару біомаси в широкому діапазоні порозності шару 0,2 – 0,73 і закономірностей ущільнення біомаси підчас руху в каналі отримано регресійну залежність зусилля ущільнення шару відходів біомаси від діаметра каналу, надлишкового тиску в апараті та припустимого рівню витоків.

8. Оцінка економічної ефективності запропонованих технологічних схем показала, що зниження витрат при заміні природного газу на піролізний забезпечує окупність капітальних вкладень менш ніж за 1 рік.

Результати досліджень, які було отримано в дисертаційній роботі, було використано підчас розробки технічного завдання на дослідну установку ВАТ “Дніпротехнологія” для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних наукових працях:

1. Шишко Ю.В. Динамика нагрева частиц и выхода летучих продуктов при пиролизе отходов биомассы // Металлургическая теплотехника. –Днепропетровск: НМетАУ–2002.– Т. 8.– С.147-152.

2. Губинский М.В., Шишко Ю.В. Выбор технологических параметров узла загрузки отходов биомассы в энергетический агрегат // Системні технології. – 2002. – № 3 (20). – С. 8-15.

3. Губинский М. В., Усенко А. Ю., Шишко Ю. В. Исследование гранулометрического состава различных видов топливной биомассы // Інтегровані технології та енергозбереження. – 2002. – №2, с. 114 – 118.

4. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. Определение технологических возможностей получения газового топлива путем пиролиза биомассы // Інтегровані технології та енергозбереження. – 2001. – №2, с. 120 – 125.

5. Губинский М. В., Усенко А. Ю., Шишко Ю. В. Оценка эмиссии парниковых газов при производстве энергии в Украине // Інтегровані технології та енергозбереження.–2001.–№2,с.46– 50.

6. Губинский М. В., Шишко Ю. В. Исследование гидравлического сопротивления плотного слоя отходов биомассы // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2001. – Т. 4. – С. 145 - 151.

7. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю., Хейфец Р. Г. Получение пиролизного газа из растительной биомассы в потоке воздуха с целью замены природного газа в нагревательных печах // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2000. – Т. 3. – С. 158 – 165.

8. Шишко Ю. В., Губинский М. В., Хейфец Р. Г. Разработка схемы утилизации тепла дымовых газов нагревательных печей с целью получения топливного газа // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: ГМетАУ. – 1999. Т. 1. – С. 202 – 205.

9. Gubinsky M., Shishko Y., Cheifetz R. and Usenko A. Biomass pyrolysis of organic wast in rarefied layer // Biomass. A Growth Opportunity In Green Energy And Value-Added Products / Proceedings of the Fourth Biomass Conference of the Americas. – Oakland, California. – 1999. – Pergamon an imprint of Elsevier Science. – Vol. 2. – Р. 1209-1214.

10. Gubinskij M.V., Shishko J.V., Usenko A.J. Skumanie hydrodynamickych parametrov vznasajucej polydisperznej vrstvy // Proc. 2nd International Scientific Conf. "Effective production, transmission and consumption of energy". – Kosice - Herl'any (Slovak). – 2000. – P. 147 – 151.

11. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. Частичная замена природного газа в нагревательных печах газом термической переработки биомассы // Труды научно-технич. конф. "Запорожсталь – 2000". – Запорожье: Запорожсталь. – 2000. – С. 74 – 75.

12. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. Частичная замена природного газа газом пиролиза биомассы // Материалы международной конференции "Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века". – Москва, МИСИС. – 2000. С. 45 – 46.

13. Shishko J. Velosity of particle floating in the polydispersed biomass layer // Proc. "Materialy i Technologie XXI Wieku". – Katowice (Poland). – 2001. – P. 171 – 172.

14. M. Gubynskyy, A. Usenko, V. Shishko, T. Vvedenska. Estimation of greenhouse gases emission for energy production in Ukraine // Procuding of the Fifth International Biomass Conference of the Americas, Orlando, Florida, USA, September 17 – 21, 2001.

15. Mykhaylo Gubynskyy, Shishko Julia and Usenko Andrew Utilization of Biomass as Heating Agent for Thermal Furnaces // Proc. of the 1st Internation Congress on Biomass for Metal Production and Electricity Generation, 8 – 11 October, 2001, Betlo Horisonte, Brazil, – CD-card Produced by PLUS informatica 55–31–3422–8882.

16. Спосіб переробки відходів біомаси: деклараційний патент на винахід № 47212А від 17.06.2002; МПК 7 F23G7/00/ М.В. Губинський, Ю.В.Шишко, А.Ю. Усенко //Український інститут промислової власності.

17. Анализ экологической эффективности процессов основанных на использовании биотоплива / М.В. Губинский, А.Ю. Усенко, Ю.В. Шишко и др. // Тез. докл. международной конференции “Энергия из биомассы”.– Киев. – 2002. С. 27-30.

АННОТАЦИИ

Шишко Ю.В. Энергосберегающая технология получения топливного газа из биомассы и его сжигание в печных агрегатах. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена созданию энергосберегающей технологии получения высококалорийного газа из биомассы и его сжиганию в энерготехнологических агрегатах с целью замены основного вида топлива – природного газа. Выполнен анализ эффективности энергетического использования биомассы в Украине и за рубежом, сравнение основных способов термической переработки отходов биомассы. Экспериментальным путем исследован процесс пиролиза отходов биомассы при разных режимах. Разработаны технологические схемы совместной работы нагревательной печи и пиролизера и проведена оценка их эффективности при частичной замене природного газа на пиролизный. Максимальная величина замены природного газа может достигать 80 – 90 % при установке пиролизера после нагревательной печи перед рекуператором, до 30 % при установке пиролизера за рекуператором и до 60 % при использовании процесса пиролиза в потоке горячего воздуха. Определены свойства отходов биомассы (опилки, лузга подсолнечника) как топлива, необходимые для создания оборудования и разработки технологии получения высокотемпературного пиролизного газа: получена регрессионная зависимость интегрального распределения частиц лузги подсолнечника по эквивалентному диаметру; выполнена адаптация зависимости для расчета динамического коэффициента формы частиц лузги подсолнечника, позволившая снизить погрешности расчетов скорости витания с 20 до 7 %; определена температура воспламенения слоя отходов биомассе в потоке горячего воздуха (370–420°С). Разработаны математические модели процессов теплообмена и пиролиза частиц биомассы в свободном падении и в потоке горячего воздуха. На основе математического моделирования разработана двухстадийная схема процесса термической переработки биомассы, разработаны рекомендации по выбору основных режимных и конструктивных параметров ведения процессов. Проведены экспериментальные исследования аэродинамического сопротивления плотного слоя отходов биомассы в широком диапазоне изменения порозности слоя (0,2–0,73) и условий уплотнения отходов при транспортировке в цилиндрическом канале. На основе экспериментальных исследований разработан способ загрузки отходов биомассы в установку пиролиза, обеспечивающий герметичность рабочей камеры, непрерывность и равномерность подачи биотоплива. Получена регрессионная зависимость усилия уплотнения слоя отходов биомассы от диаметра канала, избыточного давления в аппарате и допустимого уровня утечек. Результаты исследований использованы для разработки технического задания на опытную установку для пиролиза отходов биомассы в потоке горячего воздуха.

Ключевые слова: отходы биомассы, процесс пиролиза, экономия топлива, нагревательная печь, пиролизер.

Шишко Ю.В. Енергозберігаюча технологія отримання паливного газу з біомаси та його спалювання в пічних агрегатах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертацію присвячено створенню енергозберігаючої технології одержання висококалорійного газу з біомаси та його спалювання в енерготехнологічних агрегатах з метою часткової заміни основного вида палива – природного газу. Виконано аналіз ефективності енергетичного використання біомаси в Україні та за рубежем. Експериментальним шляхом досліджено процес піролізу відходів біомаси при різних режимах. Розроблено технологічні схеми сумісної роботи нагрівальної печі і піролізера, а також проведено оцінку ефективності роботи схем при частковій заміні природного газу на піролізний. Визначено властивості відходів біомаси (тирса, лузга соняшника) як палива, необхідні для створення устаткування і розробки технології одержання високотемпературного піролізного газу. Розроблено математичні моделі процесів теплообміну і піролізу часток біомаси у вільному падінні та у потоці гарячого повітря. Проведено чисельні дослідження теплотехнологічних процесів термічної обробки біомаси, розроблено рекомендації з вибору основних режимних параметрів ведення процесів. Розроблено і досліджено спосіб завантаження відходів біомаси в установку піролізу, який забезпечує герметичність робочої камери, безперервність і рівномірність подачі біопалива. Розроблено технічне завдання на дослідну установку для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря.

Ключові слова: відходи біомаси, процес піролізу, економія палива, нагрівальна піч, піролізер.

Shishko J.V. Energy saving technology of reception fuel gas from biomass and its burning in the heating furnaces. The manuscript.

The dissertation is submitted to seek the degree of Candidate of Science in Specialty 05.14.06.- Technical Thermophysics and Industrial Heat Engineering. – National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2004.

The dissertation is devoted to creation of energy saving technology of reception of high calorific gas from biomass and its burning in heating furnaces with the purpose of replacing of the basic fuel – natural gas. The analysis of biomass power use efficiency in Ukraine and abroad has been carried out. In the experimental way, The process of biomass waste pyrolysis has been investigated experimentally under different conditions. The technological schemes of joint work of the heating furnace and pyrolysis device have been developed and the evaluation of their efficiency at partial replacement of natural gas to pyrolysis gas has been carried out. The mathematical models of processes of heat-exchange and the processes of biomass particles pyrolysis in free fall and in hot air flow have been developed. The numerical researches of heat-technological process of biomass heat treatment have been carried out and the recommendations on the choice of the basic condition parameters of conducting processes have been developed. The method of biomass waste loading in pyrolysis device has been developed and investigated. This method provides tightness of the working chamber, continuity and uniformity of bio fuel submission. The Patent of Ukraine has been received as results of the investigation of biomass pyrolysis process in hot air flow. The technical project on the experimental device for pyrolysis of biomass waste in hot air flow has been developed.

Key words: biomass wastes, pyrolysis process, fuel saving, heating furnace, pyrolysis device.