Підвищення теплотехнічних і екологічних показників спалювання біогазу в теплогенеруючому обладнанні

м. Дніпропетровськ;

доктор технічних наук, професор Кравцов Владлен Васильович, Донецький національно технічний університет, Завідуючий кафедрою технічної теплофізики, м. Донецьк.

Провідна установаНТЦ вугільних технологій НАНУм. Київ

Захист відбудеться 03.10.2007 р., о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 при Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул.. Володимирська, 68, аудиторія А-311

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці УДУХТ за адресою:

01033, м. Київ, вул.. Володимирська, 68.

Автореферат розіслано 03.07. 2007 р.

Вчений секретар

Актуальність теми: Біоконверсія органічних відходів є одним із найпрогресивніших, економічно ефективних та екологічно прийнятних рішень для запобігання забруднення навколишнього середовища. При цьому є змога раціонально використовувати органічні речовини та звільнювати акумульовану в них енергію. Для подальшого сталого розвитку України потрібна система побудови екологічно чистих енерго- та ресурсозберігаючих технологічних процесів біоконверсії органічних відходів для попередження забруднення навколишнього середовища, отримання високоякісних добрив, та газоподібного енергоносія - біогаза. Ефективність та надійність процесу біоконверсії в значній мірі залежить від організації використання біогазу при видобутку теплової енергії у водогрійних котлах.

Під час створення ефективних, екологічно чистих систем біоконверсії повинна враховуватись і енергоємність, яка напряму впливає на кількість шкідливих викидів під час виробництва необхідної для експлуатації системи енергії.

При цьому відмінність біомаси від інших видів поновлюваних джерел енергії при заміні викопного палива полягає в наступному. При спалюванні біомаси виділяється відповідна кількість парникових газів, однак, при її відтворенні, аналогічна кількість CO₂ поглинається з атмосфери й, таким чином, росту концентрації парникових газів в атмосфері не відбувається. У зв'язку із цим, біомаса вважається CO₂ - нейтральним паливом.

Тому проведення аналізу процесу біоконверсії, формування функціональних та структурних її схем, а також виявлення шляхів зменшення шкідливих викидів під час експлуатації цих систем та використанні біогазу є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: Дисертаційна робота відповідає положенням Указу Президента України від 26.09.2003р. та директиви 2003/30/ЄС Європарламенту і Ради Європи від 08.05.2003р. щодо сприяння використанню біогазу в країні та є подальшим розвитком наробок держбюджетної теми 82-Г-101 “Экологически чистые процессы утилизации отходов” (№ держ. реєстр. 0194У016748) у відповідності з програмою “Ноосфера” Міносвіти України №12-03/38 від 04.11.92. Підґрунтям та джерелом вхідної інформації для роботи є держбюджетна тема № 82 Г-165 “Исследование многофакторного влияния органических отходов на экологическое состояние окружающей среды и разработка его улучшения при помощи биоконверсии” (№ держ. реєстр. 0197У012876). Дисертаційна робота виконана у відповідності до держбюджетної теми № 82 Д-276 “Зменшення шкідливих викидів в навколишнє середовище в підсистемах енергозабезпечення систем біоконверсії.” (№ держ. реєстр. 0105U002425), Г811F10008 “Теоретичні та експериментальні дослідження та розробка наукових основ теплової обробки органічних відходів”.

Мета дослідження - метою дисертаційної роботи є виконання названих вище програм у напрямку біоконверсії, створення науково обґрунтованих технологій та розробка методів розрахунку засобів підвищення енергетичної та екологічної безпеки водогрійних котлів, які використовують біоенергетичне паливо для виробництва теплової енергії.

Для реалізації цієї мети автор розв'язує наступні задачі:

1. Створення експериментальних стендів для дослідження ефективності роботи котлів в діапазоні потужностей від 3,5 кВт до 730 кВт на біоенергетичному паливі та природному газі.

2. Експериментальне дослідження та узагальнення отриманих даних енергетичної та екологічної ефективності спалювання біогазу, природного газу та їх сумішей в сталевих жаротрубних водогрійних котлах.

3. Розробка методів інтенсифікації теплообміну та їх дослідження при спалюванні біогазу, природного газу та їх сумішей в сталевих жаротрубних водогрійних котлах. Виявлення закономірностей роботи обладнання під час часткової або повної заміни природного газу біогазом.

4. Дослідження екологічної ефективності очищення біогазу від сполук сірки.

5. Розробка методики визначення екологічної ефективності системи біоконверсії на основі показника зниження емісії парникових газів.

Об'єктом дослідження є водогрійні теплогенератори малої потужності та промислові котли, що працюють на біогазі, отриманого при анаеробній переробці біомаси, покращення екологічного стану довкілля.

Предметом дослідження є процесс спалювання, теплообміну та екологічні викиди у водогрійних теплогенераторах малої потужності та промислових котлах.

Дослідження теплообміну та екологічних характеристик здійснювалося методами реального фізичного експерименту, обробка результатів - методами прикладної статистики та за допомогою сучасних інформаційних технологій.

Наукова новизна:

1. Вперше уточнені та доповнені науково обґрунтовані методичні основи теплового розрахунку водогрійних котлів малої потужності для спалювання біогазу.

2. Вперше в результаті досліджень виявлені закономірності впливу режимних та конструктивних параметрів на теплотехнічні та екологічні показники роботи сталевих жаротрубних водогрійних котлів на біогазі.

3. Вперше виявлена невідповідність закономірностей Нормативного метода процесам теплообміну в сталевих жаротрубних котлах при роботі на біогазі.

4. Вперше встановлена закономірність та отримана кількісна оцінка впливу процесу інтенсифікації теплообміну на показники роботи сталевого жаротрубного котла на біогазі та його сумішах з природним газом.

5. Вперше запропонований показник екологічної ефективності енергетичного використання біогазу - питоме зниження емісії парникових газів та на його основі створена методика оцінки біоенергетичних технологій.

Практичне значення та реалізація результатів досліджень: Результати роботи є основою для розробки нових та вдосконалення існуючих водогрійних теплогенераторів малої потужності. Така робота є актуальною у зв'язку з децентралізацією сільського господарства, створенням фермерських господарств, з автономним енергозабезпеченням на базі використання поновлювальних джерел енергії, в даному випадку біоконверсії. Для цього необхідні біогазові установки невеликої потужності та невеликої потужності теплогенератори, що працюватимуть на виробленому біогазі.

Результати процесу інтенсифікації теплообміну підвищують ККД в сталевих жаротрубних водогрійних котлах та впроваджені в процесі спалювання біогазу, природного газу та їх сумішей отриманого з переробки відходів тваринницьких об'єктів промислово тваринницького комплексу металургійного комбінату ОАО “Запоріжсталь”, м. Запоріжжя, Запорізької області.

Створені в процесі досліджень фізичні моделі використані в лабораторних роботах, для підготовки спеціалістів та магістрів спеціальності 8.000008 “Енергетичний менеджмент” та 8.090510 “Теплоенергетика” в рамках дисциплін “Альтернативні та поновлювані джерела енергії” та “Джерела енергії”.

Особистий внесок здобувача: Експериментальні і теоретичні дослідження, які представлені в дисертаційній роботі, виконані при особистій участі автора. У наукових працях автора, виконаних разом зі співавторами, його особистий внесок складається: у особистій розробці конструкції установки в даному напрямку та участі в її створенні, розробці методики і проведенні експериментальних досліджень; обробці й аналізі отриманих результатів [1-6, 18]; у розробці моделі процесу спалювання біогазу та розрахунку енергетичних та екологічних показників для промислових та побутових котлоагрегатів; проведенні досліджень і аналізі отриманих результатів на промислових котлоагрегатах потужністю 730 кВт, та експериментальній дослідній установці на базі котлоагрегату малої потужності 7 кВт; розробці технічної та конструкторської документації котлоагрегату малої потужності на біогазі, отриманому за допомогою біоконверсії органічних відходів, з біомаси тваринницького комплексу [7-11]; у розробці схем здійснення ефективного спалювання біогазу, та конструкцій установок для їх реалізації [12-15]; розробці методики оцінки екологічної ефективності енергетичного використання біомаси та біогазу, який було отримано від анаеробній переробки біомаси[16- 17], яка дозволяє здійснити аналіз екологічної ефективності енергетичного використання біогазу, отриманого при анаеробній переробці біомаси, на основі показника питомого зниження викидів парникових газів .

Апробація роботи: Основні положення дисертаційній роботи були предметом доповідей, обговорення та докладались на міжнародних і Всеукраїнських наукових конференціях: III Міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених та аспірантів: “Понт Эвксинский III” (м. Севастополь 2003 р., де дана доповідь зайняла перше місце); Ювілейній XXX Міжнародна науково-практична конференція: “Комбінату Запоріжсталь” (м. Запоріжжя 2003 р., де дана доповідь зайняла почесне місце); Міжнародних наукових семінарах молодих вчених (м. Севастополь 2004, 2006 р.); V Міжнародному енергоекологічному конгресі “Енергетика. Екологія. Людина.” (м. Київ, 2005 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та аспірантів: “Биотехнология: образование, наука” (НТУУ “КПІ”, м. Київ, 2003 р., де дана доповідь зайняла почесне перше місце); Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та студентів: “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (КДПУ м. Кременчук 2003 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та студентів (м. Вінниця 2005 р.); щорічних наукових конференціях і семінарах ЗДІА та міжвузівських екологічних конференціях у м. Запоріжжя.

Публікації: Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 18-х наукових друкованих працях, у тому числі: 12 - у спеціалізованих фахових наукових журналах, 1 - у збірниках наукових праць, 5 - у матеріалах та працях міжнародних науково-практичних конференцій. З них 12 друкованих праць входять до відповідного переліку ВАК України.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, бібліографії. Основний матеріал викладено на 142 сторінках машинописного тексту, ілюстровано 26 рисунками. Бібліографія містить 205 найменувань робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено зв'язок з науковими програмами, темами, планами, сформульовані мета, об'єкт, предмет та задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про їх реалізацію, особистий внесок автора, апробацію результатів роботи.

У розділах дисертації наведені результати комплексних системних досліджень з вирішення основного завдання - розробки методів еколого-енергетичної оптимізації для водогрійних теплогенераторів, які працюють на біоенергетичному паливі, методів, засобів та устаткування.

Наведено нові результати, показано значення роботи, результати впровадження в наукову та промислову практику.

У першому розділі розглянуті особливості виробництва та спалювання біогазу. Вказано на основні переваги біогазових технологій переробки органічних відходів. Наведено сучасний стан розвитку обладнання в країні та за кордоном. Вказано, що найбільш розповсюдженим способом використання біогазу є спалювання в водогрійних котлах. Аналіз відомої літератури показав практичну відсутність даних про дослідження роботи котлів малої потужності на біогазі. Відсутні також нормативи по енергетичній ефективності теплогенераторів та допустимих шкідливих викидах. Вказано, що це не дає змоги розробляти та конструювати ефективні котлоагрегати для спалювання біогазу.

Проаналізовано існуючі екологічні критерії ефективності обладнання, в тому числі, нанокаталіз для очищення димових газів, методи врахування життєвого циклу системи, критерії емісії парникових газів, зроблено висновки про стан спалювання біогазу, необхідних засобів та обладнання, визначено мету та задач дослідження.

У другому розділі показана розробка методології систематизації наявної інформації по існуючим конструкціям теплогенераторів малої потужності і результати такої систематизації з уточненням показників котлів, детально досліджених в подальшій роботі. Вказано, що на цей час основними показниками ефективності є ККД котла, металоємність та габарити, а екологічні показники (викиди СО та NO_x) розглядаються лише як обмеження. Обґрунтовано вибір об'єктів дослідження.

Розроблені схеми експериментальних стендів для дослідження процесів спалювання біогазу в водогрійних котлоагрегатах з діапазоном потужностей від 3,5 кВт до 730 кВт.

Експериментальний стенд №1 обладнаний котлом потужністю 730 кВт, який має двоходову горизонтальну циліндричну конструкцію. В водяному об'ємі розміщені циліндрична топка з горизонтальною віссю 700 мм, поворотна камера та горизонтальний жаротрубний пучок, набраний з труб 48/41 мм. Для інтенсифікації теплообміну у жаротрубному пучку за рахунок додаткового випромінювання в кожну трубку вставлені пластини шириною 29 мм, товщиною 2,5 мм. Під час проведення дослідів досліджуються параметри витрати палива за допомогою газового лічильника Fluid inventor GD-100, витрати котлової води та її температура на вході і виході з котла - за допомогою теплолічильника “Danfoss Sonocall 2000” з електронним тепловимірювачем “Infocall 5”. Температура відхідних газів, вміст кисню О₂ та окислів азоту NO_x і окислів вуглецю СО та СО₂ - за допомогою газоаналізатора “Dragger MSI Pro-2”. Склад експериментальних палив, та теплоти їх згорання одержанні за допомогою відповідних лабораторних аналізів, здійснених згідно ГОСТ 23781-87 “Гази горючі природні, метод визначення компонентного складу”. Досліди проводяться на природному газі та біогазі при різних витратах палива на котел з використанням пластин у жаротрубному пучку та без них.

Було змонтовано експериментальний стенд №2 для дослідження ефективності роботи опалювального апарату потужністю 7 кВт на біогазі. Теплообмінник, призначений для охолодження води, нагрітої в котлі, поверхневого типу і включає ємність з котловою водою 1, в яку занурені чавунні секції 2, що охолоджуються водою з системи холодного водопостачання. Циркуляційний контур котлової води 13 обладнаний шаровими кранами 3, механічним фільтром 4, циркуляційним насосом 5 (Grundfos UP 15/14) та лічильником води 6 (СК 15Г - 01). Температура котлової води на вході і виході з котла 8 вимірюється дводіапазонним електронно-цифровим термометром 7 (FLUKE) з діапазоном вимірювання (-100…960 °С) та ціною поділки 0,1°С. Температура води в котлі контролюється термометром 17 (ТТЖ-М) з діапазоном вимірювання 0…100 °С та ціною поділки 1°С.

Трубопровід 12 підведення палива (d_у15) до пальникового пристрою обладнаний регулюючим краном 10, газовим лічильником 11 (Fluid inventor GD-100) та автоматичним газовим клапаном з термобалоном 16.

Димові гази з котла відводяться за допомогою димової труби 9 (висотою 2,3 метра), в якій виконаний технологічний отвір 14, для розміщення зонда газоаналізатора 15 (Dragger MSI Pro-2). Даний прилад дозволяє фіксувати вміст кисню О₂ і окислів азоту NO_x, окислів вуглецю СО та СО₂, а також значення температури вихідних газів.

Топка атмосферна з розрахунковим ступенем екранування 0,312. Жаротрубний пучок складається з двох прямокутних вертикальних каналів перерізом 40200 мм висотою 446 мм. Для інтенсифікації теплообміну і збільшення поверхні нагріву на широкій стінці каналу виконані вдавлювання.

Налагоджувальні досліди показали нормальну роботу котла на природному газі у широкому діапазоні витрати палива 37,5...105% від номінальної. На біогазі в зв'язку із невисоким тиском в мережі і значною кількістю баластних речовин паливо-повітряна суміш не запалювалася. Проведені розрахунки пальникового пристрою котла для переводу його на спалювання біогазу, які дозволили визначити розрахункові діаметри сопел. Модернізація пальникового пристрою забезпечила запалювання котла та надійну його роботу в режимі максимальних навантажень.

Для виявлення особливостей роботи котла і для проведення наступних порівнянь проводили дослідження роботи котла на природному газі та на біогазі. Розрахункова теплота згорання біогазу складає 24 МДж/м³ , а природного газу - 35,6 МДж/м³.

Під час дослідів вимірювалися такі параметри: витрата палива, м³/с; витрата котлової води, кг/с; температура котлової води на вході і виході з котла, ⁰С; тиск палива перед котлом, Па; вміст складових димових газів: О₂, СО, СО₂, NO_x, %; температура відхідних газів, ⁰С; температура повітря в котельному залі поблизу дослідного пристрою, ⁰С; термін проведення досліду, с.

Аналіз абсолютні похибки приладів наведені в описі стенда №1. Очікувані похибки величин складають: витрати палива 0,15…0,2 %; температури відхідних газів 0,52…0,6 %; вміст СО і NO_x у газах 1,5…2,4 % і 0,7…1,96 % відповідно, коефіцієнту надлишку повітря 0,37…0,72%, ККД котла 2,5…3,6 %.

Таким чином, розроблені стенди, які дозволяють визначити енергетичну та екологічну ефективність спалювання біогазу в водогрійних котлах малої потужності.

В третьому розділі наведені результати досліджень показників роботи котлоагрегатів на біогазі та на природному газі.

Виявлено, що із збільшенням потужності пальників зростає ККД котла як на біогазі так і на природному газі. Це пов'язано, в першу чергу, із зростанням аеродинамічного опору котла, а звідси зменшення коефіцієнту надлишку повітря в котлі.

Екологічні показники котла при роботі на біогазі дещо гірші, від результатів на природному газі. Це пояснюється, по перше, підвищеним вмістом СО та N₂ у біогазі в порівнянні з природним газом, крім того додаткове утворення СО пов'язане із нижчою адіабатною температурою при спалюванні біогазу.

Для підтвердження достовірності фізичних експериментів та визначення теплообміну в окремих елементах котла розроблена математична модель теплових, гідро- та аеродинамічних процесів.

Така модель побудована на основі розрахункових залежностей Нормативного метода теплового, гідро- та аеродинамічного розрахунку котельних агрегатів. В основу математичного опису покладені відомі рівняння збереження енергії та нерозривності потоку, залежності на основі закону променистого теплообміну, критеріальні рівняння визначення інтенсивності конвективної тепловіддачі.

Модель адаптована до геометричних та режимних характеристик сталевих водогрійних котлів та опалювальних апаратів малої потужності, а саме: використання контуру охолодження стінок топки замість трубних екранних поверхонь; високі теплові навантаження стін та об'єму в топкі; ув'язка теплового та аеродинамічного розрахунку для котлів та апаратів з природною тягою; складна форма каналів жаротрубного пучка; зменшені швидкості газів в пучках труб, що призводить до переходу в ламінарну область течії димових газів.

Математична модель реалізована в середовищі Microsoft Office Excell. Початковими даними для розрахунку, в залежності від його призначення, є: склад палива; геометричні характеристики елементів котла чи опалювального апарату; температура газів, повітря та води на вході і виході; втрати теплоти від неповноти згорання та через огородження; коефіцієнт надлишку повітря.

Відповідно результатами розрахунків є: теплосприймання елементів; сумарні коефіцієнти інтенсивності складного теплообміну; температури газів котла; аеро- та гідродинамічні опори елементів та котла чи апарата в цілому.

Введення поправочних коефіцієнтів наведених нижче дозволяє використовувати їх як для визначення характеристик теплообміну в елементах, так і для розрахунку параметрів води і газів на виході з котла.

Числові експерименти з урахуванням розробленої вище моделі проведені при використанні в якості початкових даних геометричних характеристик та результатів фізичних експериментів на експериментальних стендах. В результаті порівняння отриманих результатів виявлено розбіжність між наведеними нижче коефіцієнтами інтенсивності теплообміну в топці та жаротрубному пучку, що розраховані за формулами Нормативного методу та виходячи з реальних даних роботи котла.

Згідно розрахунків виявлено, що для стенда №1 за рахунок підвищених коефіцієнтів надлишку повітря та меншої теплоти згорання адіабатна температура при спалюванні біогазу на 230...320 ⁰С нижча, тому, відповідно, променисте теплосприйняття топки нижче на 33...39%.

Під час розрахунку жаротрубного пучка без пластин виявлено, що, не дивлячись на більш високі коефіцієнти надлишку повітря, швидкості газів в трубі при роботі на біогазі нижчі. Тому, відповідно, коефіцієнти тепловіддачі від газів нижчі в 1,48...1,6 рази.

Оскільки згідно конструктивних особливостей котла для експериментального стенда №1 теплосприймання топки складає до 30 %, в теплових розрахунках прийнято наступне спрощення: розрахунок топки проводиться згідно Нормативного метода, а коефіцієнт теплопередачі пучка складної конструкції розраховується за отриманими результатами експериментальних досліджень. Розрахунки на основі фізичного дослідження показали, що зміна коефіцієнта теплопередачі суттєво залежить від швидкості димових газів, а вплив різного складу і властивостей димових газів при спалюванні природного газу і біогазу незначний. Тобто можна вважати, що використання теплофізичних властивостей по осередненим парціальним тискам складових не призводить до суттєвої похибки.

Поправочні коефіцієнти, які введені для співставлення розрахункових та експериментальних результатів виявили, що реальна інтенсивність тепловіддачі в 2,3…2,7 рази вище від розрахованої за нормативним методом. Очевидно, що складність форми каналу призводить до підвищення конвективної тепловіддачі в порівнянні зі звичайним прямокутним каналом. За нашими оцінками, це збільшення складає біля 20…40 %. Решта розбіжності можна пояснити, на нашу думку, неадекватністю Нормативного метода теплового розрахунку для сталевих водогрійних котлів та опалювальних апаратів малої потужності через невідповідність умов роботи котлів великої потужності і малих сталевих водогрійних котлів та опалювальних апаратів.

Для визначення раціональних шляхів підвищення ефективності котел потужністю 7 кВт облаштовувався додатковими засобами для збільшення енергетичної ефективності:

v встановлення пластин з нержавіючої сталі товщиною 1,5 мм на всю довжину жаротрубного каналу складної геометрії, що збільшують тепловіддачу в жаротрубному пучку та аеродинамічний опір котла;

v зміна геометричних розмірів пальникової системи, а саме зменшення відстані від зрізу сопла до входу в інжекційний пальник з 15,2 мм до 13 мм;

v зменшення прохідного перерізу для повітря в зоні під пальниками за рахунок встановлення вставок, які перекривали переріз на 25; 37,5; 50 %.

Для порівняння експериментальних даних з розрахунковими і визначення інтенсивності теплообміну в елементах котла використана математична модель котла, яка описана вище.

В результаті проведених експериментів виявилось, що встановлення вставок з перекриттям 37,5% перерізу для проходу повітря під котлом призводить до зменшення потужності пальника при тому ж положенні регулятора блока системи автоматичного регулювання. А при перекриванні 50 % перерізу котел працює нестабільно, та отримані результати налагоджувальних дослідів підтвердили невідповідність показників.

Зроблено порівняння показників роботи котла на біогазі для базового котла, та вищенаведених варіантів інтенсифікації теплообміну.

Як видно з графіків, встановлення пластин в жаротрубних каналах призводить до збільшення енергетичної ефективності котла. Підвищення коефіцієнта корисної дії котла на 2,5% забезпечується, по-перше, за рахунок збільшення аеродинамічного опору, а звідси - зменшення коефіцієнта надлишку повітря на 10 %; по-друге, не дивлячись на зменшення швидкості потоку в каналі, на 10% збільшується експериментальний коефіцієнт теплопередачі в пучку.

Зміна конструкції пальника за рахунок зменшення відстані від зрізу сопла до входу в пальник незначно вплинула на показники котла. Це можна пояснити незначною зміною відстані (з 15,2 до 12 мм), а також значною кількістю вторинного повітря.

Використання вставок під пальниками, що збільшують аеродинамічний опір котла призводять до зменшення надлишку повітря в порівнянні з базовим котлом і, відповідно, незначного зростання ККД котла (на 1…1,5%). Зменшення кількості надлишкового повітря впливає на склад димових газів і, відповідно, на його теплофізичні властивості. Коефіцієнт теплопередачі для варіанту зі вставками майже збігається з результатами для базового варіанту. Цим підтверджується незначний вплив теплофізичних параметрів газів, навіть для ламінарного руху, а визначальним параметром для інтенсивності теплообмінних процесів залишається швидкість руху потоку.

Аналіз екологічних показників різних методів підвищення енергетичної ефективності показав, що встановлення пластин в жаротрубні канали зменшує температуру газів на виході з топки і, відповідно, зменшує можливість утворення NO_х. Але описане різке охолодження газів призводить до їх “закалки”, що погіршує допалювання горючих компонентів палива, і вміст СО в газах збільшується.

Зміна конструкції пальника призводить до невеликого збільшення вмісту СО в газах, оскільки зменшується частка первинного повітря, що змішується з паливом в пальнику, а вторинне повітря підводиться нерівномірно.

Вставки, які перекривають переріз в зоні підведення повітря до пальників призводять до погіршення сумішоутворення і зростання вмісту СО, крім того, зростає температура в топці і інтенсифікується окислення азоту з утворенням NO_х.

При спалюванні природного газу спостерігається схожа ситуація. Вищеописана зміна конструкції пальникового пристрою призводить до незначного зменшення надлишку повітря, а, відповідно, і зменшення температури відхідних газів і зростання ККД котла на 0,2…0,5%. При цьому екологічні показники в достатній мірі збігаються з результатами для базового варіанту.

Вставки в перерізі під пальниками мало впливають на енергетичні показники, але вміст шкідливих речовин, особливо при перекриванні 37,5% , стає в 1,2…1,5 разів більший ніж для базового варіанту.

Встановлення пластин в жаротрубних каналах призводить до зменшення надлишку повітря, а звідси зменшується температура відхідних газів та зростає ККД котла. Екологічні показники цього варіанту дещо гірші від базового, але в 1,4 рази нижчі нормативів по СО і в 3,3 рази - по NO_х.

Характерною особливістю є те, що на відміну від спалювання біогазу встановлення пластин в жаротрубних каналах на природному газі призводить до збільшення викидів NO_х в порівнянні з базовим варіантом.

Таким чином, найбільш ефективним варіантом з енергетичної та екологічної точки зору є збільшення інтенсивності теплообміну, особливо в жаротрубному пучку, за рахунок, наприклад, встановлення вставок.

Експериментальні дослідження по спалюванню сумішей природного газу та біогазу проведені на базі стенду №1. Перед пальником встановлений змішувальний пристрій, в який подається природний газ (ПГ) та біогаз (Б), витрата суміші визначається як сума витрат природного газу та біогазу, які визначені за допомогою газових лічильників.

При конструкції елементів котла із зміною потужності пальника в першу чергу, змінюються такі величини як коефіцієнт надлишку повітря та температура відхідних газів. Ці величини визначають теплотехнічний показник ефективності котла - його ККД.

Коефіцієнт надлишку повітря в котлі та температура відхідних газів мало залежать від складу палива, з чого можна зробити висновок про подібність аеродинамічних та теплообмінних характеристик продуктів згорання природного газу та біогазу.

Розглядаючи випадки з однаковою витратою палива, видно, що при збільшенні долі біогазу коефіцієнти надлишку повітря збільшуються. Це можна пояснити тим, що температури в газоходах нижчі, ніж при спалюванні природного газу, а звідси - природна тяга в котлі і розрідження в топці майже такі ж. Оскільки теоретична витрата окислювача значно нижча, то через котел проходить більша кількість надлишкового повітря. Це сумісно із збільшенням втрат через стінки котла призводить до зменшення ККД, незважаючи на зниження температури відхідних газів, яке пояснюється розбавленням продуктів згорання.

Основними факторами, що впливають на теплообмін та аеродинаміку котла базової конструкції є витрата палива та його склад. А інші з вищенаведених параметрів є похідними цих параметрів. В процесі експерименту також виявлено, що вплив температури котлової води на показники роботи котла незначний.

Згідно літературних даних рециркуляція топкових газів, основою яких є інертні гази, в тому числі СО₂ , в зону горіння призводить до зменшення викидів NO_x на 40…60%, але погіршується якість спалення палива, тобто збільшується вміст СО в газах.

Оскільки біогаз в основному складається з метану і вуглекислого газу, збільшення вмісту біогазу в суміші з природним газом призводить до зростання вмісту вуглекислого газу, який є баластним і повинен призводити до зниження середньої температури в топці і, відповідно зменшення шкідливих викидів NO_x , але зростання викидів СО.

Згідно експериментальних даних дійсно із збільшення частки біогазу в суміші відбувається збільшення викидів СО, яке пояснюється крім вищенаведеного значним вмістом СО у початковому біогазі (3,2 %).

При спалюванні сумішей із значною кількістю біогазу, для сталої витрати палива і конструкції пальника можна вважати майже незмінною витрату первинного повітря, що ежектується. При цьому теоретична кількість окислювача, пов'язана із вмістом горючої частини палива, зменшується і відповідно зростає коефіцієнт надлишку повітря, який може сягати > 1. Такий спосіб спалювання наближається до кінетичного, який характеризується високими температурами в корні факелу і високою швидкістю горіння, що, можливо, не забезпечує повного згорання палива. Але такі умови достатні для утворення так званих “швидких NO_x”, які є основною частиною викидів окислів азоту, що утворюються при спалюванні газового палива.

Збільшення виходу NO_x при переході до кінетичного принципу спалювання підтверджене дослідами І.Я. Сігала та ін. на природному газі.

Крім того, на нашу думку, отримані результати можуть пояснюватись нерівномірністю складу суміші і відповідною нерівномірністю процесу горіння, що може призводити до збільшення концентрації кисню і відповідного пришвидшення процесів окислення азоту.

Таким чином, отримані результати показують екологічну недоцільність використання пальникового обладнання, розробленого для природного газу при спалюванні біогазу. В зв'язку з цим, на нашу думку, для розробки ефективних котлів значну увагу слід приділяти розробці пальників для спалювання біогазу, які забезпечуватимуть високі стандарти по екологічних і теплотехнічних показниках та надійності процесу спалювання.

Згідно лабораторних аналізів виконаних відповідно з ГОСТ 23781-87 “Гази горючі природні, метод визначення компонентного складу”, отриманого з реакторів біогазу виявлене таке співвідношення компонентів, %: СН₄=60,7...65,2; N₂=0,3; CO₂=29,1…31,2; O₂=0,7…0,8; H₂=0,5…0,7; CO=3,2…5,1; H₂S=0,9…1,3.

Найбільш шкідливим компонентом біогаза для теплотехнічних систем є сірководень, який може бути видалений наступними методами:

v розчинення в воді;

v поглинання тривалентним залізом із подальшою регенерацією.

Для малих біогазових установок, в більшості випадків, очищення біогазу від сірководню наведеними вище методами є високовитратним і ускладненим в експлуатації, тому для виявлення шкідливих викидів при спалюванні неочищеного біогазу під час планової зупинки системи біологічного очищення біогазу від сірководню на промислово тваринницького комплексу металургійного комбінату ОАО “Запоріжсталь” були проведені дослідження на водогрійних котлах потужністю 7 кВт та 730 кВт.

Концентрація SO₂ вимірювалася за допомогою експрес-метода на дослідних стендах, які описані в розділі 2. Аналіз виконувався з використанням повіреного аналізатора Delta - II Emission SO_X (Німеччина), зонд якого встановлювався безпосередньо в технологічний отвір за котлом. Вміст SO₃ приймався рівним 1,7% від загального вмісту SO₂ у відхідних газах.

Вміст сірководню у біогазі для різних серій дослідів складає 0,63%, 0,9% та 1,08%, що відповідає 9022,2 мг/м³ , 12889 мг/м³ та 15738 мг/м³ .

Проведено досліди із такими діапазонами параметрів: потужність котлів 3,5…730 кВт; коефіцієнт надлишку повітря 1,3…1,6; температура відхідних газів 138…191 ⁰С; температура зовнішнього повітря 12…17 ⁰С.

Крім того використані суміші природного газу (ПГ) та біогазу (Б) із кількісними співвідношеннями: 80%ПГ + 20%Б ; 60%ПГ + 40%Б.

Для порівняння результатів визначені розрахункові концентрації окислів сірки у відхідних газах, які проведені для SO₂ на основі стехіометричних рівнянь за умови повного окислення сірки з врахуванням коефіцієнтів надлишку повітря у відхідних газах та їх температури.

Заміряні концентрації окислів сірки в газах в залежності від початкового вмісту сірководню під час дослідів складають 684...1943 мг/м³ газів.

Співставлення результатів числових та натурних експериментів показали, що із точністю до 9...13% отримані натурні концентрації окислів сірки відповідають розрахованим за умови повного згорання сірки.

Тобто можна вважати, що сірка, яка виходить з біореактора у вигляді сірководню в складі біогазу повністю окислюється в котлі з утворенням SO₂ , і на повноту окислення сірки суттєво не впливають зміни конструктивних та режимних характеристик топки та жаротрубного пучка, також склад палива.

Для стенда №2 потужність котла, що працює на біогазі, в 2,03...2,15 рази нижче його потужності при роботі на природному газі. В зв'язку з цим суттєво зростають питомі втрати теплоти через охолодження котла, тому ККД котлів на біогазі на 6...7,1% нижче ніж цей показник при роботі на природному газі.

З метою підвищення енергетичної ефективності котла в жаротрубні елементи вставлені металеві пластини на всю довжину труби. За рахунок високої температури газів пластини нагріваються і випромінюють теплоту на зовнішні стінки труби. Цим пояснюється зниження температури відхідних газів на 17...22⁰С при роботі на біогазі, і на 10...13⁰С - на природному газі.

При встановленні пластини в трубу дещо зменшується переріз для проходу газів і суттєво зменшується еквівалентний діаметр каналу. При цьому зростає аеродинамічний опір труби і при постійному напорі дуттьового вентилятора зменшується коефіцієнт надлишку повітря в котлі.

Все вищенаведене призводить до зменшення втрат теплоти з відхідними газами, і, відповідно, до зростання ККД котла. На біогазі це зростання складає 1,8...3,15%, а на природному газі - 1,41...2,22%.

Для перевірки можливості використання рекомендацій Нормативного методу теплових розрахунків котлоагрегатів (НМ) для жаротрубних водогрійних двоходових котлів були проведені відповідні дослідження. Розрахунки виконані для вихідних даних вищенаведених натурних експериментів.

Виявлено, що температури відхідних газів, що розраховані за залежностями НМ, завищені відносно експериментальних значень. Це може пояснюватись неповною відповідністю теплофізичних властивостей димових газів даного палива з табличними даними, суттєвою відмінністю умов теплообміну від рекомендованих в НМ відсутністю нагару та накипу на поверхнях нагріву котла тощо. Тому для якісного опису експериментальних результатів за допомогою рекомендацій НМ необхідно ввести поправку на теплообмін в топці або в жаротрубному пучку.

Для врахування поправки на теплообмін в топці рекомендується ввести відповідний коефіцієнт К_п1

, (1)

де М - параметр, який використовується в залежності (6.35) НМ від 1998 р. для визначення температури газів на виході з топки;

М_НМ - параметр, визначений за залежністю (6.26а) НМ від 1998 р.;

К_п1 - поправочний коефіцієнт, визначений на основі співставлення експериментальних та розрахункових результатів.

Для врахування поправки на теплообмін в пучку рекомендується використати залежність

, (2)

де k - коефіцієнт теплопередачі в жаротрубному пучку, Вт/(м²К);

k_НМ - коефіцієнт теплопередачі, розрахований за (7-15в) НМ від 1998 р., Вт/(м²К);

К_п2 - поправочний коефіцієнт.

Результати розрахунку відповідних поправочних коефіцієнтів наведені на рис. 1, 2.

Рис. 1. Поправочні коефіцієнти для інстенсивності теплообміну в топці К_п1 та в жаротрубному пучку К_п2 без пластин для різних варіантів проведення дослідів: 1 - паливо - біогаз, поправка К_п1 ; 2 - паливо - природний газ, поправка К_п1 ; 3 - паливо - біогаз, поправка К_п2; 4 - паливо - природний газ, поправка К_п2 .

Слід відзначити, що в усіх досліджених режимах роботи котла введені поправки призводять до збільшення розрахункової інтенсивності теплообміну.

На нашу думку, більш доцільним є введення поправки на теплообмін в топці котла. Причинами цього є наступне.

По-перше, інтенсивність теплообміну в умовах руху потоку газів в жаротрубному елементі достатньо досліджена і можна вважати, що рекомендації

Нормативного метода або інші критеріальні залежності з достатньою точністю описують такі теплообмінні процеси.

Рис. 2. Поправочні коефіцієнти для інстенсивності теплообміну в топці К_п1 та в жаротрубному пучку К_п2 з пластинами для різних варіантів проведення дослідів: 1 - паливо - біогаз, поправка К_п1 ; 2 - паливо - природний газ, поправка К_п1 ; 3 - паливо - біогаз, поправка К_п2; 4 - паливо - природний газ, поправка К_п2 .

По-друге, рекомендації Нормативного метода недостатньо відповідають умовам роботи топки двоходового жаротрубного котла, яка має принципово відмінну від традиційної схему руху газів, оскільки вихідне вікно топки і випускний отвір пальника розташовані в одному перерізі.

По-третє, допустимий діапазон теплових навантажень об'єму топки для котлоагрегатів з цегляними огородженнями, згідно рекомендацій складає 0,1…0,3 МВт/м³, а навантаження топки досліджуваного котла значно перевищує цей діапазон, і складає 0,286...0,980 МВт/м³ , а це, на нашу думку, в свою чергу призводить до дещо інших закономірностей теплообміну випромінюванням в топці.

У четвертому розділі дисертаційної роботи наведені результати дослідів для розробки екологічного критерію який дозволить об'єктивно порівнювати біоенергетичні технології незалежно від виду замінного палива.

У роботі запропонований показник питомого зниження викидів парникових газів при заміні викопного палива біомасою :

 , (3)

де , - абсолютна величина викидів парникових газів при роботі на натуральному паливі й біогазу відповідно, кг СО₂-экв/год;

- витрата біогазу, м³/година;

- теплота згорання біогазу, Дж/м³.

Стосовно до умов України на основі комплексного підходу в дисертації розроблена методика визначення показника емісії біогазу , який складається із двох складових:

, (4)

де - показник емісії парникових газів пов'язаний із процесом бродіння (вивантаження й завантаження біомаси, а також витратами на перемішування), гСО₂-экв./ (кг у.п. біогазу);

- показник емісії парникових газів пов'язаний із процесом переробки (підготовки) біомаси, гСО₂-экв./ (кг у.п. біогазу).

З використанням розробленої методики визначені кількісні дані про зміну показників емісії парникових газів k_CO2 для умов України, які склали для: мазуту - 2414 ч 2552 гСО 2-_экв /кг у.п., для природного газу - 1712 ч 1910 гСО 2-_экв /кг у.п. та спалюванні біогазу, отриманого при анаеробній переробці біомаси - 1037 ч 1253 гСО 2-_экв /кг у.п.

ВИСНОВКИ

Значне зростання цін на первинні енергоносії вимагає пошуку альтернативних джерел енергії. Одним із найбільш перспективних серед них є біогаз, отриманий під час анаеробної ферментації органічних речовин. Як показує аналіз літературних джерел недостатньо дослідженим є проблема ефективного використання отриманого біогазу. З аналітичного обзору бачимо що, немає детальних досліджень щодо енергетичної ефективності і екологічної чистоти теплоенергетичного обладнання, що працює на біогазі, особливо, в діапазоні невеликих потужностей. Тому дослідження процесів спалювання біогазу в малих промислових та побутових котлах є актуальним.

Для виявлення особливостей спалювання біогазу були створені експериментальні стенди з врахуванням вимог проведення теплотехнічного експерименту. Відповідно розроблені методики проведення дослідів та обробки результатів котлів малої потужності та котлів 730 кВт.

Аналіз отриманих результатів показав, що:

теплові розрахунки досліджуваних котлоагрегатів, проведені за Нормативним методом теплового розрахунку призводять до заниження інтенсивності теплообміну в котлі в порівнянні із експериментальними результатами;

коефіцієнт корисної дії нижче на 0,2…0,4% для побутового котла та на 6…7,5 % - для промислового котла потужністю 730 кВт, при роботі на біогазі ніж при спалюванні природного газу;

концентрації NO_x та СО при спалюванні біогазу в побутовому котлі вищі на 2…6 та 11…18 мг/м³ відповідно, ніж при роботі на природному газі, але для досліджуваних конструкцій вони значно нижчі, ніж нормативні значення цих викидів;

вміст оксидів сірки з достатньою точністю відповідає стехіометричному значенню, і на повноту окислення сірки не впливають склад палива, режимні та конструктивні зміни котла в досліджуваному діапазоні;

димові гази, отримані при спалюванні сумішей з різним вмістом біогазу і природного газу, мають рівні (в межах точності експериментів) теплофізичні та аеродинамічні характеристики;

збільшення частки біогазу у суміші із природним газом призводить до зростання кількості викидів NO_x та СО для незмінної конструкції ежекційного пальникового пристрою, що пояснюється зміною принципу спалювання з дифузіонно-кінетичного на кінетичний;

встановлення пластин в жаротрубних елементах котла призводить до збільшення ККД котла на 1,8…3,15% - для промислового котла і на 2,4…2,7% - для побутового котла. При цьому відбувається незначне збільшення концентрацій шкідливих речовин, які, втім, не перевищують нормативних значень;

встановлення обмежувачів вторинного повітря для побутового котла призводить до збільшення ККД котла на 0,7…1,3%;

зміна відстані від сопла до входу в пальник з 15 до 13,2 мм призводить до збільшення ККД біогазового побутового котла на 0,2…0,5%;

За результатами узагальнення експериментальних даних запропоновано:

розрахункові поправки до залежностей Нормативного метода для теплового розрахунку топки та жаротрубного пучка сталевого водогрійного двоходового котла;

методику розрахунку ежекційного пальника для спалювання біогазу;

методику визначення екологічної ефективності системи біоконврсівї та процесів спалювання біогазу на основі показника питомої емісії парникових газів.

В роботі отримані оціночні значення енергетичної та екологічної ефективності водогрійних котлів малої потужності при заміні природного газу частково та повністю на біогаз. Зроблено висновок про недоцільність використання незмінної конструкції пальника для природного газу та біогазу.

Виявлені шляхи підвищення енергетичної ефективності обладнання без перевищення нормативних значень шкідливих викидів.

Запропонована методика розрахунку двоходового сталевого водогрійного котла на основі Нормативного метода теплового розрахунку із введенням відповідних поправок на інтенсивність теплообміну для діапазону потужності 350…750 кВт, що працюють на газовому паливі з навантаженнями топки 0,28…1 МВт/м³ .

Розроблена та впроваджена методика визначення екологічної ефективності системи анаеробної біоконверсії на основі показника питомої емісії парникових газів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Курис Ю. В., Крючков Е. Н. Анализ энергетического баланса производственно - животноводческого комплекса ЗАО “Запорожсталь” с использованием биоэнергетической установки // Сборник научных трудов “Биотехнология: Образование, наука”, - НТУ КПИ. - 2003. С. 141-143.

2. Курис Ю. В., Крючков Е. Н., Шинкаренко Л. М. Экономические и экологические области использования методов биотехнологий в окружающей среде. // Сборник конференции “Понт Эвксинский III”, - г. Севастополь, - №1. - 2003. - С. 27-30.

3. Курис Ю. В. Преимущества биотехнологий в решение энергетических вопросов. // Труды юбилейной XXX международной научно технической конференции "Запорожсталь XXX". - Запорожье: Запорожсталь. - 2003. - С. 53 - 57.

4. Курис Ю. В., Крючков Е. Н. Биотехнология как альтернативный источник энергии. // Сборник тезисов IX научно технической конференции ЗГИА., - г. Запорожье, - 2004. - С. 31-33.

5. Курис Ю. В., Крючков Е. Н. Адсорбционно-каталитические технологии обессеривания биогаза // Сборник тезисов X научно технической конференции ЗГИА., - г. Запорожье, - 2005. - С. 19-21.

6. Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Крючков Є. М., Куріс Ю.В., Літвішков І. В. Особливості роботи водогрійного котла на біогазі. // Наукові вісті КПІ. м. Київ - №1. - 2006. - С. 25-29.

7. Куріс Ю.В., Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Крючков Є. М., Літвішков І. В. Енерго-екологічна ефективність побутового котла на біогазі. // Східно-Європейський журнал передових технологій. м. Харків, - №2. - 2006. - С. 165-168.

8. Куріс Ю.В., Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Крючков Є. М., Літвішков І. В. Екологічні проблеми утилізації біогазу в системах біоконверсії та деякі методи їх вирішення. // Фаховий журнал “Новини Енергетики”. м. Київ, - №8. - 2006. - С. 41-43.

9. Курис Ю. В., Майстренко А. Ю., Ткаченко С.И., Степанов Д. В. Систематизация особенностей конструирования водогрейных котлов для сжигания биогаза. // Журнал “Промышленная электроэнергетика”. г. Киев, - №6. - 2006. - С. 66-69.

10. Куріс Ю. В., Нестеренко А. В. Методи зниження екологічних викидів нетрадиційних джерел енергії. // Матеріали міжвузівської наукової конференції “Сучасні екологічні проблеми - III” - м. Запоріжжя, - 2006. - С. 39-43.

11. Куріс Ю.В., Ткаченко С. Й., Степанов Д. В., Крючков Є. М. Ефективність спалювання сумішей природного газу та біогазу на побутовому котлі. // Фаховий журнал “Новини Енергетики”. м. Київ, - №12. - 2006. - С. 33-35.

12. Курис Ю.В., Степанов Д. В., Ткаченко С. И., Хажмурадов М.А., Карнацевич Л.В. Увеличение эффективности дальнейшего использования и сжигания биогаза: “Достижения и перспективы”. // Журнал “Энергетика и электрификация”. г. Киев, - №12. - 2006. - С. 67-79.

13. Степанов Д. В., Курис Ю. В., Ткаченко С. И., Крючков Е. Н. Показатели работы бытового котла при сжигании смесей природного газа и биогаза. // Научно-технический журнал “Экотехнологии и Ресурсосбережение”. м. Київ, - №1. - 2007. - С. 17-21.

14. Крючков Є. М., Куріс Ю. В., Нестеренко А. В., Степанов Д. В., Ткаченко С. І. Аналіз процесів біоконверсії та експериментальне визначення технологічних можливостей спалювання біогазу. // Журнал “Енергетика та електрифікація”. м. Київ, - №1. - 2007. - С. 57-63.

15. Ткаченко С. І., Степанов Д. В., Куріс Ю. В., Нестеренко А. В. Удосконалення технології спалювання біогазу отриманого при процесах біоконверсії. // Фаховий журнал “Новини Енергетики”. м. Київ, - №2. - 2007. - С. 36-42.

16. Курис Ю. В., Степанов Д. В., Ткаченко С. И., Хейфец Р. Г. Розробка методики визначення емісії парникових газів при отриманні та використанні біоенергетичного палива // Фаховий журнал “Энергетика и электрификация”. г. Киев, - №4. - 2007. - С. 57-63.

17. Курис Ю. В., Степанов Д. В., Ткаченко С. И., Хейфец Р. Г. Емісія парникових газів у процесі спалювання біогазу // Фаховий журнал “Энергетика и электрификация”. г. Киев, - №5. - 2007. - С. 33-38.

18. Курис Ю. В., Ткаченко С. И., Степанов Д. В. Социальные и экономические аспекты в области альтернативной энергетики // Фаховий журнал “Промышленная электроэнергетика”. г. Киев, - №3. - 2007. - С. 33-37.

екологічний біоконверсія теплообмін енергія

АНОТАЦІЯ

Куріс Ю.В., Підвищення теплотехнічних та екологічних показників спалювання біогазу в теплогенеруючому обладнанні. Рукопис.