НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ
УСЕНКО АНДРІЙ ЮРІЙОВИЧ
УДК 662.6/ .7:620.9.004.67
УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ОКИСЛЮВАЛЬНОГО ПІРОЛІЗУ БІОМАСИ
З МЕТОЮ ЗНИЖЕННЯ ЕМІСІЇ ПАРНИКОВИХ ГАЗІВ
05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2006
Дисертація є рукописом.
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,
завідуючий кафедрою промислової теплоенергетики,
м. Дніпропетровськ. | Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
КРАВЦОВ ВЛАДЛЕН ВАСИЛЬОВИЧ,
Донецький національний технічний університету,
завідуючий кафедрою технічної теплофізики,
м. Донецьк;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
ГЕЛЕТУХА ГЕОРГІЙ ГЕОРГІЙОВИЧ,
Інститут технічної теплофізики НАН України,
завідуючий відділом теплопровідності,
м. Київ.
Провідна установа: | Національний технічний університет “Харківський
політехнічний інститут”, м. Харків |
Захист дисертації відбудеться “10 “жовтня 2006 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.
Автореферат розісланий “01 “вересня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,
доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Безупинне зростання потреб сучасного суспільства в енергії призводить до збільшення споживання викопних паливно-енергетичних ресурсів і, відповідно, до збільшення викиду в атмосферу продуктів згоряння, у тому числі, парникових газів, підвищення концентрації яких в атмосфері є однією з ймовірних причин необоротної зміни клімату.
Одним з головних шляхів зниження об’єму викидів парникових газів і економії традиційних видів палива є заміна викопного палива на поновлювані джерела енергії, у тому числі, на біомасу. У той же час вибір напрямків розвитку біоенергетичних технологій визначається не тільки техніко-економічними показниками, а й їх екологічною ефективністю.
У зв’язку з цим, вирішення задач, пов’язаних з визначенням найбільш перспективних технологій енергетичного використання біомаси на основі розробки об’єктивних екологічних критеріїв, а також удосконалення процесів термічної переробки біомаси, що забезпечують ефективне зниження викидів парникових газів і низьку собівартість отримуваної енергетичної продукції, є актуальними та вимагають додаткових досліджень.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконана відповідно до наукового напрямку кафедри промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України (НМетАУ). Питання і проблеми, розглянуті в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі енергозбереження і планам Міністерства освіти і науки України. Робота є складовою частиною досліджень, що здійснювалися відповідно до держбюджетних тем НМетАУ: Г007010005 “Розробка універсальної технології й устаткування для переробки органічних відходів з метою отримання синтетичного палива”, Г811F10008 “Теоретичні й експериментальні дослідження і розробка наукових основ теплової обробки органічних відходів”.
Мета роботи і задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи – підвищення ефективності і надійності нового двостадійного процесу термічної обробки біомаси методом окислювального піролізу і розробка науково-методичних основ визначення екологічної ефективності енергетичного використання біомаси.
Відповідно до поставленої мети досліджень сформульовані і вирішені наступні основні задачі роботи:
- розроблено методику, що дозволяє здійснити аналіз екологічної ефективності енергетичного використання біомаси на основі показника питомого зниження викидів парникових газів з використанням системного підходу;
- розроблено конструкцію і виготовлено пілотну установку, на якій виконані експериментальні дослідження термічної обробки дрібнодисперсних відходів біомаси (лушпина соняшника, рисова і гречана лузга) у потоці гарячого повітря;
- розроблено математичну модель процесу термічної обробки біомаси в потоці гарячого повітря і проведені їх дослідження для різних технологічних схем;
- розроблено технологічний регламент і конструктивні схеми установки, що реалізує двостадійний процес окислювального піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря й у щільному шарі.
Об’єкт дослідження – технології й агрегати енергетичного використання біомаси.
Предмет дослідження – процеси тепломасообміну й утворення парникових газів при термічній переробці відходів біомаси.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження процесів термічної переробки відходів біомаси здійснювалися шляхом математичного моделювання теплових і масообмінних процесів при нагріванні біомаси в потоці гарячого повітря. Експериментальні дослідження процесу піролізу виконувалися на дослідній установці, виготовленій на кафедрі промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Вперше запропоновано показник екологічної ефективності енергетичного використання біомаси – питоме зниження емісії парникових газів, на основі якого створена методика оцінки ефективності біоенергетичних технологій, що дозволяє врахувати комплексний вплив виду викопного палива, біомаси і виробленої енергії на емісію парникових газів.
2. Отримано експериментальну залежність тривалості теплової обробки відходів біомаси до їхнього запалення в киплячому шарі гарячого повітря від його температури, визначені температурно-тимчасові обмеження на обробку часток біомаси в зваженому стані, що забезпечує реалізацію стабільного процесу окислювального піролізу.
3. На основі математичного моделювання отримані залежності температури нагрівання біомаси різних видів при реалізації висхідної і спадної схем процесу окислювального піролізу в потоці гарячого повітря від основних технологічних параметрів: температури і швидкості повітря, питомої витрати біомаси, довжини камери піроліза.
Практичне значення отриманих результатів.
1. Розроблено й адаптовано математичну модель процесу термічної обробки дрібнодисперсних відходів біомаси в потоці гарячого повітря.
2. Запропоновано двостадійний процес термічної обробки біомаси в потоці гарячого повітря й у щільному шарі (Деклараційний патент України на винахід № 47212А від 17.06.2002; деклараційний патент України на корисну модель № 14328 від 15.05.2006), розроблено конструкції установки для організації спадного спутного потоку газу і біомаси.
3. Визначено технологічний регламент, на основі якого розроблено технічне завдання на дослідно-промислову установку для піролізу дрібнодисперсних відходів біомаси в потоці гарячого повітря потужністю 100 кВт.
Особистий внесок здобувача. Експериментальні і теоретичні дослідження, подані в дисертаційній роботі, виконані при особистій участі автора разом зі співробітниками Національної металургійної академії України. У наукових працях автора, які виконані разом зі співавторами, його особистий внесок полягає: у розробці методики оцінки екологічної ефективності енергетичного використання біомаси 8 – 11, 16 – 18; у розробці конструкції пілотної установки й участі в її створенні, розробці методики і здійсненні експериментальних досліджень, обробці та аналізу їх результатів 3, 7, 14, 15, 19, 21; у розробці математичної моделі процесу піролізу біомаси в потоці гарячого повітря, здійсненні досліджень і аналізу отриманих результатів 2, 4 – 6, 22; у розробці схем здійснення процесу піролізу біомаси в потоці гарячого повітря і конструкцій установок для їх реалізації 1, 12, 13, 20.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися на 14 міжнародних конференціях: “Проблеми економії енергії”, (Львів, 1998 р.); Proc. 2nd International Scientific Conf. “Effective production, transmission and consumption of energy”. (Kosice - Herl'any (Slovak), 2000); Научно-техническая конференция “Запорожсталь – 2000” (Запорожье, “Запорожсталь”, 2000 г.); Международная конференции “Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века” (Москва, МИССИС, 2000 г.); Procuding of the Fifth International Biomass Conference of the Americas, Orlando, Florida, USA, September 17-21, 2001; Міжнародні науково-практичні конференції “Інтегровані технології та енергозбереження – 2001, 2002, 2004” (АР Крим, с. Малий Маяк, 2001 р., 2002 р., 2004 р.); Первая в Украине международная конференция “Энергия из биомассы” (Киев, НАН Украины, Институт технической теплофизики, Научно-технический центр “Биомасса”, 2002 г.); XIII Международная конференция “Теплотехника и энергетика в металлургии” (Днепропетровск, 2003 г.); V Международная научно-практическая конференция “Проблемы сбора, переработки и утилизации отходов” (Центр научно-технической, экономической информации, Одесса, ОЦНТЭИ, 2004 г.); Вторая в Украине международная конференция “Энергия из биомассы” (Киев, НАН Украины, Институт технической теплофизики, Научно-технический центр “Биомасса”, 2004 г.); Міжнародні науково-практичні конференції “Інтегровані технології та енергозбереження – 2005, 2006” (АР Крим, м. Алушта, 2005, 2006 р.); XIV Международная конференция “Теплотехника и энергетика в металлургии” (Днепропетровск, 2005 г.).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 22-х друкованих працях, у тому числі: 7 статей – у спеціалізованих журналах, 4 статті – у збірниках наукових праць, 4 статті і 5 тез доповідей – у матеріалах і працях міжнародних науково-практичних конференцій, 2 – у Патентах України. З них 11 друкованих праць входять до відповідного переліку ВАК.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу чотирьох розділів, висновку, списку літературних джерел і додатків. Матеріали роботи викладено на 135 сторінках машинописного тексту і включає 33 таблиці, 31 рисунок, 12 додатків. Список використаних літературних джерел складає 203 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень. Наведено нові наукові результати, які отримані в роботі, показана їх практична цінність, визначен особистий внесок здобувача, представлені дані щодо апробації роботи.
У першому розділі дисертаційної роботи сформульовані шляхи вирішення екологічної проблеми, яка пов’язана з виникненням парникового ефекту при спалюванні палива. Встановлено, що одним з найбільш ефективних напрямків вирішення цієї проблеми є використання поновлюваних джерел енергії, у тому числі, біомаси. Розвиток технологій енергетичного використання біомаси активно розвивається у західних країнах, що визначається активною державною підтримкою цього сектора енергетики. Провідними організаціями з розробки і впровадження біоенергетичних технологій в Україні є Інститут технічної теплофізики НАН України й інженерно-технічний центр “Біомаса”.
Аналіз науково-технічної інформації показав, що основними критеріями при виборі технології енергетичного використання біомаси є економічні показники і величина зниження емісії парникових газів при припустимій величині викидів забруднюючих речовин. Якщо економічні критерії відомі і досить ефективно використовуються на практиці, то існуючі екологічні критерії не дозволяють об’єктивно порівнювати різні технології й устаткування, що використовують різні види біопалива, а також цілком врахувати вплив виду і якості замінного палива. Тому в роботі поставлена задача щодо розробки нових екологічних критеріїв і використання їх на практиці.
Одним з перспективних напрямків енергетичного використання біомаси є розроблена на кафедрі промислової теплоенергетики (ПТЕ) Національної металургійної академії України (НМетАУ) технологія окислювального піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря, що дозволяє отримувати не тільки паливний газ, але і тверде паливо у вигляді коксового залишку. Даний процес протікає при температурах 300 – 400 °С, при цьому теплоносієм для здійснення окислювального піролізу може служити повітря, яке нагріте відхідними продуктами згоряння в існуючому повітропідігрівнику енергетичного агрегату. Отримана суміш нагрітого повітря і піролізного газу повертається на горіння в енергетичний агрегат, у результаті чого частково зберігається основне паливо.
Проведені раніше на кафедрі ПТЕ НМетАУ дослідження даного процесу дозволили визначити техніко-економічні перспективи даної технології і діапазон параметрів для створення пілотної установки. У даній роботі наведені результати експериментальних досліджень, проведені на розробленої та виготовленої в умовах лабораторної бази кафедри пілотної установки; наведені теоретичні дослідженя даного процесу стосовно різних видів відходів (лушпина соняшника, лузга рисова і гречана).
У другому розділі дисертаційної роботи подано результати досліджень, які спрямовані на розробку екологічного критерію, що дозволяє об’єктивно порівнювати біоенергетичні технології незалежно від виду замінного палива, виду виробленої енергії, виду використовуваної біомаси.
У роботі запропонован показник питомого зниження викидів парникових газів при заміні викопного палива біомасою – :
, (1)
де і – абсолютні величини викидів парникових газів при роботі на викопном паливі і біомасі, відповідно, кг СО2-екв/год; – витрата біомаси, кг/год;
– теплота згоряння біомаси, Дж/кг.
Припускаючи, що вироблення енергії однакове до і після заміни викопного палива, вид залежності (1) перетворюється на вираження, що не містить корисної енергії:
, (2)
де – показники емісії парникових газів, які віднесені до одиниці теплоти згоряння палива, кг СО2 екв/кг; – ККД брутто процесів виробництва енергії при використанні біомаси і викопного палива, відповідно, %.
Відповідно до умов України на основі системного підходу в дисертації розроблена методика визначення показників емісії , що включає підсумовування викидів парникових газів по всьому технологічному ланцюжку використання палива, починаючи з видобутку і завершуючи його спалюванням:
, (3)
де – емісія парникових газів при видобутку, транспортуванні, переробці і спалюванні палив, відповідно, гСО2-екв/кг у.п.
При цьому в розрахунках враховувалися: основні види енергоносіїв, які були використані на всіх технологічних етапах їх виробництва і реалізації; частка теплових електростанцій і структура їх паливоспоживання при виробленні теплової й електричної енергії в Україні; величини питомої витрати енергоносіїв у різних галузях; витрати і втрати енергії при транспортуванні; емісія шахтного метану у вуглевидобувній промисловості і т.п. Крім цього, при визначенні показників емісії для біомаси враховувалися викиди парникових газів, які пов’язані зі спалюванням викопного палива на етапі його збору, переробки і транспортування. У результаті створена методика, що дозволила оцінити діапазони значень показників емісії парникових газів eСО2 для викопних видів палива і біомаси в умовах України:
= 3364 ? 4350 гСО2-екв /кг у.п.; =2501 ? 2555 гСО2-екв /кг у.п.;
= 1714 ? 1908 гСО2-екв /кг у.п.; – 0,8 ?125,2 гСО2-екв /кг у.п.
На основі отриманих даних про викиди парникових газів у роботі проведен аналіз зниження емісії парникових газів в атмосферу при повній або частковій заміні викопного палива біомасою з використанням різних
технологій її переробки відповідно до умов України (рис.1). Дослідження показали, що найбільш ефективною є технологія прямого спа-лювання біомаси, при цьому процес пі-ролізу біомаси в потоці гарячого по-вітря з погляду екологічної ефективно-сті є досить конкурентноздатним, що підтверджує перспективність розвитку даного процесу і необхідність подаль-ших експериментальних і теоретичних досліджень у цій галузі.
У третьому розділі дисертаційної роботи на основі експериментальних досліджень уточнені технологічні параметри процесу піролізу біомаси в потоці гарячого повітря і визначені межі можливої його реалізації; визначен вплив першої стадії процесу піролізу біомаси (сушка та нагрів біомаси в потоці гарячого повітря) на ефективність процесу в цілому; отримані необхідні дані для створення математичної моделі процесів нагрівання і піролізу відходів біомаси у зваженому шарі, що необхідні як для розробки конструкції промислової установки, так і для вибору ефективних режимів роботи обладнання.
Зокрема, у результаті досліджень гранулометричного складу відходів біомаси (лушпина соняшника, рисова і гречана лузга) отримані залежності інтегрального розподілу часток за еквівалентним діаметром у вигляді:
RX = а0+а1 dЕ+а2 dЕ 2 + а3 dЕ3 + а4 dЕ4, (4)
де RX – кількість частинок з еквівалентним діаметром, меншим dЕ, %;
аi – значення коефіцієнтів регресії, наведені у таблиці 1.
Таблиця 1
Значення коефіцієнтів регресії інтегральних характеристик розподілу часток біомаси
Вид біомаси | Значення коефіцієнтів регресії | а0 | а1 | а2 | а3 | а4 | Лушпина соняшника– | 149 | -202 | 86,6 | -11
Рисова лузга | 70 | 2174 | -5125 | 3803 | 903 | Гречана лузга | 16364 | -35662 | 28137 | -9455 | 1133 |
З метою подальшого моделювання процесів піролізу в киплячому і зваженому шарі були здійснені експериментальні дослідження швидкості витання частинок лушпини соняшника, гречаної і рисової лузги, а також визначені межі існування щільного, стійкого киплячого і зваженого шарів залежно від швидкості повітря (табл. 2).
Таблиця 2
Межі існування стійкого киплячого і зваженого шарів відходів біомаси
Швидкості повітряного потоку | Вид быомаси
Лушпина
соняшника | Рисова
лузга | Гречана
лузга
Швидкість утворення стійкого киплячого шару, м/с | 1,7-4,9 | 1,5-3,0 | 1,4-3,5
Швидкість утворення зваженого шару, м/с | >4,9 | >3,0 | >3,5
У рамках роботи розроблена і виготовлена при участі автора в умовах лабораторної бази кафедри ПТЕ НМетАУ пілотна установка для дослідження двостадійного процесу окислювального піролізу дрібнодисперсних відходів біомаси в потоці гарячого повітря (рис. 2).
Конструкція установки потужністю 50 кВт побудована на основі процесу висхідного руху газосуспензії повітря і відходів біомаси. Це дозволило реалізувати процес як у зваженому, так і в киплячому шарах.
У процесі руху газосуспензії відбувалося нагрівання біомаси і її частковий піроліз. Поділ газоподібної і твердої фаз здійснювається в циклоні 10. Завершення процесу відбувалося у щільному шарі бункера 11. Для запобігання конденсації смол, що входять до складу летучих продуктів піролізу, а також витрат теплоти, всі елементи експериментальної установки були теплоізольовані матами з базальтового волокна.
У процесі досліджень контролювалися температури шару по довжині камери, витрати повітря і біомаси.
Дослідження процесу окислювального піролізу здійснювали в діапазоні параметрів tПОВ200 – 320 °С, WПОВ= 2,6 – 5,7 м/с. В результаті було встановлено, що процес піролізу біомаси в киплячому шарі має часові обмеження щодо обробки частинок, пов’язані з загорянням відходів. При цьому тривалість обробки залежить від температури повітря (рис. 3), що апроксимована експонентною залежністю:
? ЗАП = 48300 • exp (– 0,023 • Т ПОВ), (5)
де ? ЗАП – максимальний час перебування частинок біомаси в потоці гарячого повітря до початку запалення, с;
Т ПОВ – температура повітря, яке подається, °С.
Отже, реалізація процесу піролізу біомаси в потоці гарячого повітря можлива винятково в зваженому шарі. У випадку висхідного потоку швидкість повітря повинна перевишувати: для лушпини соняшника – 4,9 м/с, для рисової лузги – 3 м/с, для гречаної лузги – 3,5 м/с. При спадному руху газу і біомаси обмеження на величину швидкості повітря виключаються.
Відсутність можливості тривалої обробки у зваженому шарі припускає реалізацію двостадійного процесу. Здійснення стадії термічної обробки відходів біомаси у зваженому шарі (перша стадія) передбачається безпосередньо в повітряному тракті піролізера. Остаточне розкладення біомаси (друга стадія) відбувається в бункері коксового залишку, до якого вже частково розкладена біомаса надходить при температурі, достатній для реалізації автотермічного процесу розкладання (~ °С) (Деклараційний патент на винахід № 47212А від 17.06.2002, деклараційний патент України на корисну модель № 14328 от 15.05.2006).
Таким чином, перша стадія процесу забезпечує часткове розкладення і нагрівання біомаси до температури, яка необхідна для реалізації автотермічної реакції, і, отже, визначає остаточні результати переробки біомаси.
Дослідження першої стадії процесу піролізу біомаси у висхідному і спадному потоках гарячого повітря здійснювалися шляхом математичного моделювання.
У четвертому розділі дисертаційної роботи подано математичну модель процесу піролізу біомаси у зваженому шарі потоку гарячого повітря, яка дозволяє враховувати: співвідношення витрат гарячого повітря і біомаси, вихідну температуру гарячого повітря, вид використовуваної біомаси, тривалість обробки.
Процес термічної обробки відходів біомаси у зваженому шарі супроводжується процесами нагрівання, сушіння й піролізу, які є визначальними для отримання кінцевого результату. Тому в роботі запропоновано модель, яка описує всі перераховані вище процеси.
При розробці моделі були зазначені наступні припущення: розгоном частинок біомаси при надходженні до газового потоку нехтували; теплообмін між газом і біомасою здійснюється конвекцією; частинки біомаси розглядаються як термічно тонкі тіла, біомаса розглядається як мультифракційне середовище, при цьому теплообміном між фракціями нехтували. Математична модель містить у собі ряд рівнянь теплового та матеріального балансів, а також кінетики розкладання біомаси і її сушки. У тому числі:–
рівняння теплового балансу для газу:
, (6)
де: – температура газової суміші, °С; – масова витрата газу в піролізері, кг/с; – теплоємність газової суміші, кДж/(кг• К); – площа поперечного перерізу піролізера, м2; – тепловий потік від газу до часток біомаси для i-ої фракції; – температура i-ої фракції біомаси, °С; – коефіцієнт тепловіддачі від газу до часток i-ої фракції біомаси, Вт/м2• К; – концентрація біомаси в одиниці об’єму, кг/м3; – питома площа поверхні часток i-ої фракції біомаси, м2/кг; i – номер фракції біомаси;–
рівняння теплового балансу для кожної фракції біомаси:
, (7)
де: , – теплоємності біомаси і вологи, відповідно, кДж/кг• К; – вологовміст i-ої фракції біомаси, кг/кг; – витрата i-ої фракції біомаси на суху масу, кг/з; – витрати теплоти на випаровування вологи; – теплота паротворення, Дж/кг; -питома теплоємність пари, Дж/(кг К); -теплота екзотермічної реакції піролізу, Дж/кг; – вихідний вміст летучих у біомасі, кг/кг; - маса летучих, що виділилися в результаті піролізу i-ої фракції, кг/кг; - теплота згоряння біомаси, Дж/кг;–
рівняння збереження маси для кожної фракції біомаси:
; (8)–
рівняння збереження маси всієї системи в цілому:
. (9)
В основу розрахунку виділення летучих продуктів у результаті піролізу покладена відома кінетична залежність, яка заснована на однокомпонентній схемі розрахунку швидкості реакції. Для рішення системи рівнянь використана явна різницева схема за часом з ітераціями. Довжина і кількість розрахункових ділянок добиралися шляхом чисельних експериментів з умови підвищення точності моделі при дробленні кроку. Оптимальне значення кроку за координатою х склало 5 мм.
Адаптація математичної моделі піролізу біомаси в потоці гарячого повітря здійснювалася шляхом порівняння чисельних рішень з результатами експериментальних досліджень температур у зваженому шарі біомаси, які отримані на пілотій установці.
Результати порівняльних досліджень показали, що максимальна погрішність розрахунку температури нагрівання газосуспензії по довжині робочої камери не перевищувала 15 %.
Метою чисельного дослідження є визначення впливу на процес піролізу таких параметрів, як: питома витрата біомаси, температура повітря при його входженні до камери піролізу, тривалість обробки, яка зумовлена довжиною піролізера. Дослідження здійснювалися стосовно лушпини соняшника, рисовій і гречаній лузги у діапазоні параметрів, поданих у таблиці 3.
Таблиця 3
Діапазон досліджених параметрів процесу окислювального піролізу
№ п/п | Параметр | Діапазон зміни | 1 | Питома витрата біомаси, кг/ м3 повітря | 0,01-0,8 | 2 | Температура повітря при входженні до камери піролізу, °С | 250-400 | 3 | Довжина піролізера, м | 5-10 | 4 | Дійсна швидкість повітряного потоку, м/сек | 1-5 |
Дослідження проводилися для висхідного і спадного варіантів реалізації процесу. При розрахунку висхідної схеми дійсна швидкість повітряного потоку не змінювалася, а приймалася рівної швидкості переходу шару біомаси в зважений шар. При дослідженні спадного варіанту руху повітря і біомаси швидкість потоку повітря змінювалася у діапазоні 1 – 5 м/с.
Результати досліджень показали, що температура нагрівання біомаси з ростом швидкості повітряного потоку знижується. Це пов’язано з тим, що зі збільшенням швидкості потоку тривалість процесу зменшується, що не дозволяє досягти рівноважного стану при теплообміні між газом та частинками біомаси. Тому результат процесу нагрівання багато в чому визначався динамічними характеристиками потоку й умовами теплообміну. Так, зі збільшенням швидкості потоку одночасно активізувалися конкуруючі фактори. З одного боку, спостерігалося зростання коефіцієнтів тепловіддачі пропорційно квадратному кореню швидкості, з іншого боку – знижувався час нагрівання назад пропорційно швидкості в першому ступені. Таким чином, сумарний ефект приводив до зниження температури нагрівання зі збільшенням швидкості потоку, що справедливо було для всіх трьох видів відходів (рис. 4).
Тривалість обробки біомаси також визначалася довжиною камери піролізу й умовами теплообміну, що залежать від співвідношення видаткових теплоемкостей біомаси і повітря, тобто, від питомої витрати біомаси. Цей вплив пов’язаний зі зміною швидкості потоку в залежності від зниження його температури. Кількісна величина цього впливу досить істотно позначається на кінцевому результаті нагрівання і складає до 11%.
З метою дослідження кількісного впливу технологічних факторів на температуру нагрівання біомаси були здійснені чисельні дослідження з використанням повного факторного експерименту для двох можливих схем реалізації процесу (висхідний і спадний потоки).
Результати розрахунків використані для побудови регресійних залежностей середньої температури біомаси tБМ, як функції температури повітря при вході до піролізера tпов, питомої витрати біомаси MБМ, дійсної швидкості повітря Wпов, довжини піролізера Lпір:
– для висхідного потоку:
tбм = a0 + a1 • tпов + a2 • Mбм + a3 • Lпір; (10)
– для спадного потоку:
tбм = a0 + a1 • tпов + a2 • Mбм + a3 • Lпір+ a4 • Wпов + a5 • M2бм+ a6 • L2бенкет. (11)
Чисельні значення коефіцієнтів регресії для лушпини соняшника подані в таблиці 4. Аналогічні дані отримані для рисової і гречаної лузги.
Таблиця 4
Значення коефіцієнтів регресійних залежностей температури нагрівання біомаси (10) та (11).
Тип схеми | Значення коефіцієнтів регреси
а0 | а1 | а2 | а3 | а4 | а5 | а6
Висхідний потік | 0,602 | - 123,8 | -14,45 | 10,51–––
Спадний потік | - 68,57 | 0,673 | - 92,83 | -15,38 | -92,83 | 23,97 | - 0,94
Отримані залежності використані для розробки конструкції і режимів роботи дослідної установки для термічної обробки біомаси. На їх основі визначені межі параметрів технічно можливої реалізації процесу піролізу біомаси в спадному потоці гарячого повітря, а також основні конструктивні розміри установки (таблиця 5).
Таблиця 5
Технічно можливі параметри реалізації процесу окислювального піролізу біомаси
Параметр | Вид відходів біомаси | Лушпина
соняшника | Рисова
лузга | Гречана
Лузга | Довжина піролізера, м | 4,50-13,00 | 3,50-9,50 | 4,00-10,00 | Питома витрата біомаси, кг/кг | 0,02-0,30 | 0,10-0,53 | 0,09-0,53
Дійсна швидкість повітря, м/сек | 1,22-4,47 | 1,00-3,00 | 1,00-3,00
Початкова температура повітря, °С | 350-400 °С | 350-400 °С | 350-400 °С
Обраний технологічний регламент використаний при розробці технічного завдання на дослідно-промислову установку з переробки дрібнодисперсних відходів біомаси шляхом піролізу в потоці гарячого повітря потужністю до 100кВт. Очікуваний строк окупності устаноки складає не більше двох років.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-технічна задача – підвищення ефективності і надійності нового двостадійного процесу термічної обробки біомаси методом окислювального піролізу в потоці гарячого повітря. Розроблена методика визначення екологічної ефективності енергетичного використання біомаси. Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки й узагальнення:
1. На основі аналізу літературних джерел встановлено, що основними параметрами при обранні технології енергетичного використання біомаси є економічні й екологічні критерії, у тому числі, які визначають зниження викидів парникових газів. Останні вимагають уточнення з метою об’єктивного порівняння різних технологій і обладнання, які використовують різні види біопалива.
2. У роботі запропоновано новий показник питомого зниження викидів парникових газів ?СО2, на основі якого розроблена методика, яка дозволяє здійсніти аналіз екологічної ефективності енергетичного використання біомаси, що дозволяє врахувати комплексний вплив виду і якості замінного палива на емісію парникових газів і ККД теплових агрегатів.
3. На основі розробленої методики визначені діапазони показників питомого зниження викидів парникових газів при заміні паливної корисної копалини на біомасу з використанням технологій прямого спалювання, газифікації і піролізу в умовах України. Встановлено, що найбільш ефективними є технології прямого спалювання. Технологія окислювального піролізу в потоці гарячого повітря наближається до них і є конкурентноздатною з погляду екологічної ефективності. Вона відрізняється низькими капітальними й експлуатаційними витратами, а також меншою собівартістю отримуваної енергетичної продукції за рахунок виробництва супутніх продуктів.
4. Здійснено експериментальні дослідження властивостей відходів біомаси (соняшникова лушпина, гречана і рисова лузга), як енергетичного палива, а також визначено: характеристики гранулометричного складу відходів біомаси, межі існування щільного, стійкого киплячого і зваженого шарів, дані про величину віднесення частинок біомаси з киплячого шару.
5. Розроблена і виготовлена в умовах лабораторної бази кафедри промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України пілотна установка піролізу дрібнодисперсних відходів біомаси в потоці гарячого повітря, на якій здійснені експериментальні дослідження. Встановлено, що процес піролізу біомаси в потоці гарячого повітря має часові обмеження щодо обробки частинок, які пов’язані із загорянням відходів. Експериментально визначена залежність граничної тривалості термічної обробки біомаси в потоці гарячого повітря від температури теплоносія, що подається.
6. На основі експериментальних досліджень розроблений спосіб двостадійного процесу піролізу відходів біомаси: початкова стадія – нагрівання і частковий піроліз біомаси у зваженому шарі, і кінцева стадія – процес розкладання у щільному шарі (Деклараційний патент України на винахід № 47212А від 17.06.2002; деклараційний патент України на корисну модель № 14328 від 15.05.2006). Запропоновано технологічні схеми реалізації окислювального піролізу в стабільних умовах, що виключають загоряння відходів при організації висхідного руху газосуспензії і при організації спадного потоку газу і біомаси.
7. Розроблено й адаптовано к реальним умовам математичну модель процесу термічної обробки біомаси в потоці гарячого повітря, що забезпечує визначення температур газосуспензії з погрішністю до 15%. Модель використана для дослідження першої стадії процесу піролізу дрібнодисперсних відходів біомаси у зваженому шарі і враховує теплообмін між частками біомаси і повітрям, розкладання біомаси та її сушки.
8. На основі чисельних досліджень нагрівання відходів біомаси у зваженому шарі зі спадним і висхідним рухами газосуспензії визначен вплив температури повітря, його швидкості, питомої витрати біомаси, довжини робочої камери на процес піролізу різних видів біомаси. Зокрема:–
встановлено, що основний вплив на кінцевий результат має тривалість обробки, обумовлена швидкістю потоку, довжиною піролізера і співвідношенням водяних еквівалентів повітря і біомаси, а ступінь розкладання відходів біомаси у зваженому шарі складає не більш ніж 5-6;–
на підставі узагальнення розрахункових досліджень отримані регресійні залежності температури нагрівання біомаси від її питомої витрати, довжини піролізера, швидкості потоку, температури повітря для схем реалізації процесу з висхідним та спадним потоками.
9. На основі результатів чисельних досліджень розроблені:–
рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу окислювального піролізу і конструктивних розмірів піролізера, що забезпечують нагрівання біомаси в потоці до температури, необхідної для початку автотермічної реакції на другій стадії процесу;–
технічне завдання на проектування дослідно-промислової установки з переробки дрібнодисперсних відходів біомаси шляхом піролізу в потоці гарячого повітря потужністю до 100 кВт, з очікуваним економічним ефектом за рахунок економії природного газу – 18 тис. грн. і строком окупності до двох років.
Основний зміст дисертації опубліковано у наступних наукових працях:
1. Усенко А.Ю, Грек А.С, Губинский М.В. Определение технологических возможностей реализации процесса окислительного пиролиза мелкодисперсных отходов биомассы // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. – Харків: НТУ “ХПШ”, 2006. – № 2. – С. 126-130.
2. Усенко А.Ю., Грек А.С., Шишко Ю.В. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса окислительного пиролиза // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. В двух книгах. – Книга вторая. – Днепропетровск: Пороги, 2005. – С. 356-362.
3. Усенко А.Ю., Грек А.С., Шишко Ю.В. Экспериментальные исследования пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. В двух книгах. – Книга первая. – Днепропетровск: Пороги, 2005. – С. 423-431.
4. Грек А.С., Усенко А.Ю., Губинский М.В., Шишко Ю.В. Исследование термического разложения биомассы в окислительной среде // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. – Харків: НТУ “ХПШ”, 2005. – № 2. – С. 110-114.
5. Усенко А.Ю., Губинский М.В., Шишко Ю.В. Математическое моделирование процесса пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск: Пороги, 2004. – С. 85-92.
6. Усенко А.Ю., Губинский М.В., Федоров С.С. Методика исследования процесса пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. – Харків: НТУ “ХПШ”, 2004. – № 2. – С. 130-134.
7. 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.
8. 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. .
9. 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.
10. 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: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2000. – Т. 3. – С. 158-165.
11. Губинский М.В., Хейфец Р.Г., Унтилов В.Ю., Усенко А.Ю., Степаненко В.Ф. Энергетическое использование органических отходов промышленности и сельского хозяйства // Проблеми економії енергії. Вісник державного університету “Львівська політехніка”. – Львів, 1998. – С. 179-182.
12. Спосіб термічної переробки відходів біомаси: деклараційний патент на корисну модель № 14328 від 15.05.2006; МПК (2006) F23G7/00/ Національна металургійна академія України // Український інститут промислової власності.
13. Спосіб переробки відходів біомаси: деклараційний патент на винахід № 47212А від 17.06.2002; МПК 7 F23G7/00/ М.В. Губинський // Український інститут промислової власності.
14. Губинский М.В., Усенко А.Ю., Грек А.С. Процесс получения топливного газа путем пиррола биомассы в потоке горячего воздуха // Материалы Второй в Украине международной конференции “Энергия из биомассы” – Киев: НАН Украины. Институт технической теплофизики. Научно-технический центр “Биомасса”. – 2004 – С. 204-206.
15. Усенко А.Ю., Губинский М.В., Грек А.С. Развитие процесса окислительного пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Сборник научных статей к V Международной научно-практической конференции “Проблемы сбора, переработки и утилизации отходов” / Центр научно-технич., экономич. информации. – Одесса: ОЦНТЭИ, 2004. – С. 401-406.
16. Губинский М.В., Усенко А.Ю., Шишко Ю.В., Губинская Д.А. Анализ экологической эффективности процессов основанных на использовании биотоплива // Материалы Первой в Украине международной конференции “Энергия из биомассы” – Киев. НАН Украины. Институт технической теплофизики. Научно-технический центр “Биомасса”. – 2002 – С. 27-29.
17. Губинский М.В., Мамон Э.Н., Овчаренко Ю.Н., Усенко А.Ю. Вопросы эколого-экономической оценки эмиссии парниковых газов при производстве энергии в Украине // Тезисы докладов: Четвертый Международный симпозиум “Механика эластомеров – ”. – Днепропетровск: НАН Украины. Институт геотехнической механики. – 2001 – С. 29-31.
18. M.A.V.T.Estimation of greenhouse gases emission for energy production in Ukraine //of the Fifth International Biomass Conference of the Americas, Orlando, Florida, USA, September 17-21, 2001.
19. 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.
20. 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.
21. Gubinskij M.V., Shishko J.V., Usenko A.J. Skumanie hydrodynamickych parametrov vznasajucej polydisperznej vrstvy //2nd International Scientific Conf. “Effective production, transmission and consumption of energy”. – Kosice - Herl'any (Slovak). – 2000. – P. .
22. M. Gubinsky, Y. Shishko, R. Cheifetz and A. Usenko Biomass pyrolysis of organic waste in rarefied layer/ Biomass. A Growth Opportunity In Green Energy And Value-Added Products/Proceedings of the Fourth Biomass Conference of the Americas, Vol 2. – 1999. – P. 1209-1214.
АННОТАЦИЯ
Усенко А.Ю. Совершенствование процесса окислительного пиролиза биомассы с целью снижения эмиссии парниковых газов. Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2006.
Диссертационная работа посвящена разработке технологии энергетического использования биомассы в промышленности с целью снижения расхода ископаемого топлива и эмиссии парниковых газов. Выполнен анализ эффективности технологий энергетического использования биомассы в Украине и за рубежом, сформулированы пути решения экологической проблемы возникновения парникового эффекта и связанного с ним изменения климата.
Разработан экологический критерий, позволяющий объективно сравнивать биоэнергетические технологии независимо от вида и качества заменяемого топлива, вида производимой энергии, вида используемой биомассы. Представлен анализ снижения эмиссии парниковых газов в атмосферу при полной либо частичной замене ископаемого топлива различными видами биомассы при различных способах ее переработки.
Проведены экспериментальные исследования свойств отходов биомассы (подсолнечная лузга, гречневая и рисовая шелуха), как энергетического топлива, и определены: характеристики гранулометрического состава отходов биомассы, области существования плотного, устойчивого кипящего и взвешенного слоев, данные о величине уноса частиц биомассы из кипящего слоя.
Разработана и изготовлена в условиях лабораторной базы кафедры промышленной теплоэнергетики Национальной металлургической академии Украины пілотна установка пиролиза мелкодисперсных отходов биомассы в потоке горячего воздуха, на которой проведены экспериментальные исследования. Установлено, что процесс пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха имеет ограничения по времени обработки частиц, связанные с возгоранием отходов. Экспериментально определена зависимость предельной продолжительности термической обработки биомассы в потоке горячего воздуха от температуры подаваемого теплоносителя.
Разработан способ двухстадийного процесса пиролиза отходов биомассы (1 стадия – нагрев и частичный пиролиз биомассы во взвешенном слое, 2 стадия – окончание процесса разложения в плотном слое). Определены условия реализации процесса окислительного пиролиза в стабильных условиях. При организации восходящего движении газовзвеси скорость воздуха должна составлять: для рисовой шелухи – ?3 м/с, для гречневой шелухи – ?3,5 м/с, для лузги подсолнечника – ? 4,9 м/с, что обеспечит протекание процесса во взвешенном слое; при организации нисходящего потока газа и биомассы процесс пиролиза не имеет ограничений по скорости воздуха.
Разработана и адаптирована к реальным условиям математическая модель процесса пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха.
На основании численных исследований нагрева
