Розробка теоретичних та технологічних основ виробництва паливного газу піролізом біомаси

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпродзержинського державного технічного університету за адресою: 51918, м. Дніпродзержинськ, вул. Дніпробудівська, 2.

кандидат технічних наук, доцент Г.Ю. Крячко

АНОТАЦІЯ

Золотовська О.В. Розробка теоретичних та технологічних основ виробництва паливного газу піролізом біомаси. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика, Дніпродзержинський державний технічний університет, м. Дніпродзержинськ, 2011. термічний паливний газ піроліз

У роботі обгрунтовується новий підхід до вивчення закономірностей динаміки термічного розкладання дисперсних часток у потоці гарячого теплоносія з метою модернізації технології виробництва паливного газу.

Запропонована методика встановлення технологічних режимів піролізу, що сприятиме прогнозуванню теплотехнічних властивостей готового газу. Досліджено технологічні основи створення піролізного газу з заданими теплоенергетичними характеристиками, визначено раціональні технологічні умови низькотемпературного піролізу, що дозволяє суттєво знизити енерговитрати у виробництві газу та отримати задані склади газу та продуктів згоряння. Встановлені співвідношеня, які визначають взаємозв'язок технологічних параметрів процесу піролізу зі складом палива та продуктів згоряння. Визнечено закономірності руху часток із теплоносієм у камері піролізу, що дасть можливість сформулювати фізичне уявлення про характер та структуру руху. Отримано залежності для визначення гідродинамічних та термодинамічних режимів роботи запропонованого обладнання. Встановлено, що зміна тиску призводить до зміни у складі піролізного палива та температури спалаху. Така трансформація гідродинамічних характеристик значно впливає на робочі режими обладнання. Тому математичний опис цього процесу доповнений функцією зміни маси часток та теплової енергії потоку, який дозволяє об'єднати гідродинамічні та тепломасообмінні параметри процесу. Визначено теплотехнічні характеристики апарату, за допомогою яких можна знайти найбільш ефективні режими піролізу. В роботі виконано значний об'єм експериментальних досліджень, на основі яких знайдені оптимальні склад та технологічні режими піролізу. Визначено характеристики тепломасообміну в піролізній камері. Запропоновані співвідношення, які дали можливість оптимізувати технологічні режими виробництва.

Ключові слова: піроліз, біомаса, тепломасообмін, гідродинамічні параметри, термічне розкладання, паливний газ.

АННОТАЦИЯ

Золотовская Е.В. Разработка теоретических и технологических основ производства топливного газа пиролизом биомассы. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика, Днепродзержинский государственный технический университет, г. Днепродзержинск, 2011.

В работе обосновывается новый подход к изучению закономерностей динамики термического разложения дисперсных частиц в потоке горячего теплоносителя с целью модернизации технологии производства топливного газа.

Предложена методика определения технологических режимов пиролиза, которая позволяет прогнозировать теплотехнические свойства готового газа. Исследованы технологические основы производства пиролизного газа с заданными теплоэнергетическими характеристиками, определены рациональные технологические условия низкотемпературного пиролиза, что позволяет существенно снизить энергозатраты в производстве газа и получить заданные составы газа и продуктов сгорания. Установлены соотношения, которые характеризуют взаимосвязь технологических параметров процесса пиролиза с составом топлива и продуктов сгорания. Определены закономерности движения частиц с теплоносителем в камере пиролиза, что позволило сформулировать физическое представление о характере и структуре движения. Получены зависимости для определения гидродинамических и термодинамических режимов работы предложенного оборудования. Установлено, что изменение давления приводит к изменению состава пиролизного топлива и температуры воспламенения. Такая трансформация гидродинамических характеристик значительно влияет на рабочие режимы оборудования. Поэтому математическое описание этого процесса дополнено функцией изменения массы частиц и тепловой энергии потока, которое позволяет объединить гидродинамические и тепломассообменные параметры процесса. Предложены теплотехнические характеристики аппарата, которые позволяют определить наиболее эффективные режимы пиролиза. В работе выполнен значительный объем экспериментальных исследований, на основе которых найдены оптимальные состав и технологические режимы пиролиза. Определены характеристики тепломасообмена в пиролизной камере. Предложены соотношения, которые позволили оптимизировать технологические режимы производства.

Ключевые слова: пиролиз, биомасса, тепломасообмен, гидродинамические параметры, термическое разложение, топливный газ.

ANNOTATION

Zolotovskaya E.V. Development of theoretical and technological bases of production of fuel gas by pyrolysis o fbiomass. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.06 - engineering thermal physics and industrial power, Dneprodzerzhinsk State Technical University, Dneprodzerzhinsk, 2011.

In this dissertation a new approach to studying the laws of the dynamics of thermal decomposition of dispersed particles in a stream of hot coolant to modernize the production technology of fuel gas.

A method of establishing the development of technological regimes of pyrolysis, that allows to predict thermal properties of the finished gas. Investigated the technological basics of pyrolysis gas with given heat power characteristics, definition of rational technological conditions of low temperature pyrolysis, which can significantly reduce energy costs in the production of gas and a given composition of gas and combustion products. The relations that define the relationship of technological parameters of the pyrolysis of the composition of the fuel and combustion products. The regularities of motion of the particles with the coolant in the chamber of pyrolysis, which enabled us to formulate a physical representation of the nature and structure of the movement. The dependencies to determine the hydrodynamic and thermodynamic modes of operation of the proposed equipment. Established that the change in pressure alters the composition of pyrolysis fuel and ignition temperature. Such a transformation of the hydrodynamic characteristics significantly affect the operational modes of the equipment. Therefore, the mathematical description of this process, supplemented by the function change of the particle mass and heat flow, which allows you to combine hydrodynamic and heat and mass transfer process parameters. Proposed thermal performance apparatus that allows to determine the most effective modes of pyrolysis. In the paper, a considerable amount of experimental research on the basis of which found the optimum composition and technological conditions of pyrolysis. Certain characteristics teplomasoobmena in the pyrolytic chamber. Proposed relationships that enable an optimized technological conditions of production.

Key words: pyrolysis, biomass, teplomasoobmen, hydrodynamic parameters, thermal expansion, the fuel gas.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однім з основних напрямків ефективної реалізації енергетичної політики в України є формування паливно-енергетичного балансу, який відповідав би власним запасам енергоресурсів України і світовим тенденціям у використанні енергоносіїв. Згідно з державною комплексною програмою з енергозбереження України енергетичні ресурси поновлюваних джерел енергії складають 78,2 млн. т у.п. на рік, з них на частку біоенергетики припадає 27%. Для України, яка має розвинене сільське господарство, виробляється значна кількість органічних відходів, біомаса може стати пріоритетним джерелом поновлюваних енергоресурсів. Нині одним із напрямків енергетичного використання біомаси є виробництво паливного газу, отриманого шляхом її термічного розкладання. Дослідження великої кількості піролізних установок різної конструкції, наведених у науковій літературі, дозволяє зробити висновок про те, що багато технологій не можуть бути досить ефективними через низку недоліків: удосконалення технологічних режимів не розглядається у функціональному зв'язку з тепломасообмінними і гідродинамічними процесами в камерах піролізу при термічному розкладанні органічної сировини; не передбачені заходи оперативного реагування на поточну зміну фізико-механічних властивостей у потоці сировини та корекції параметрів технологічного процесу піролізу з метою досягнення необхідних оптимальних результатів, що не дозволяє прогнозувати склад отриманого газу. Тому дослідження, спрямовані на розробку технології виробництва ефективного газу з прогнозованими теплоенергетичними властивостями є актуальними. У зв'язку з цим у дисертаційній роботі поставлено мету - розробити технологічні та теоретичні основи виробництва біопалива з урахуванням його ефективності (теплотворної здатності, екологічності) та наявої сировинної бази.

Зв'язок роботи з науковими програмами і науковими напрямками: Тематика роботи відповідає визначеним Законом України пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки, зокрема, п. 7 «Нові технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі». Матеріали дисертації є узагальненням наукових результатів, отриманих автором у період з 2006 до 2010 року при виконанні науково-дослідних робіт за планом НДР Дніпродзержинського державного технічного університету. Автор брала участь у виконанні науково-дослідних робіт: «Розвиток теорії тепломасообміну в нанотехнологіях обробки дисперсних середовищ» (202/05ДБ, 0184U006634); «Розвиток теорії тепломасообміну в дисперсних середовищах» (202/03ДБ, 0126U005749); «Розвиток теорії наномасштабних процесів енергообміну в рідкіх дисперсних середовищах» (202/07ДБ). Тема дисертації відповідає науковим напрямкам кафедри «Теплоенергетика» Дніпродзержинського державного технічного університету.

Мета і завдання дослідження полягають у розробці технології та наукових основ виробництва висококалорійного паливного газу з відходів переробних підприємств.

Завданням дослідженя є: створення надійної та ефективної методики експериментальних і теоретичних досліджень термічного розкладання часток сировини в піролізній установці, а також отримання корисної інформації про процеси, що визначають динамічні характеристики розкладання летучих компонентів; створення математичних моделей гідродинаміки і тепломасообміну дисперсної фази в псевдозрідженому шарі для визначення основних тепломасообмінних характеристик; розробка технології низькотемпературного піролізу біомаси, обладнання, оптимізація технологічних і конструктивних параметрів на базі отриманих емпіричних та теоретичних даних.

Об'єктом дослідження є технологія виробництва паливного газу.

Предметом дослідження є процеси гідродинаміки і тепломасообміну теплоносія з органічними частками при їхньому термічному розкладанні в піролізній камері.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження процесів термічної обробки полідисперсного матеріалу здійснювалися шляхом математичного моделювання газодинамічних і тепломасообмінних процесів низькотемпературного піролізу. Експериментальні дослідження процесу тепломасообміну і газодинаміки проводилися на ВАТ «ДКПК» і в умовах КП «ДТМ» на промисловому обладнанні та в лабораторії тепломасообміну кафедри «Теплоенергетика» Дніпродзержинського державного технічного університету. Обробка даних виконана з використанням чисельного експерименту на ЕОМ. Всі експериментальні вимірювання виконані з використанням повірених приладів.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше отримано такі наукові результати:

1) встановлено функціональний взаємозв'язок теплоенергетичних характеристик піролізного газу (теплоти згоряння, температури спалаху) і режимів термообробки, що дало можливість визначити оптимальні співвідношення технологічних параметрів виробництва для певних умов використання;

2) визначено раціональні технологічні умови низькотемпературного піролізу, які дозволяють значно знизити енерговитрати у виробництві газу і одержати задані склади газу та продуктів згоряння;

3) запропоновано співвідношення, які встановлюють взаємозв'язок технологічних параметрів процесу піролізу зі складом газу та продуктів згоряння, за допомогою яких знайдені оптимальний склад і технологічні режими піролізу;

4) на основі одержаних характеристик тепломасообміну в піролізній камері отримали подальший розвиток технологічні та теоретичні основи низькотемпературного піролізу, що дає можливість отримувати альтернативне паливо з прогнозованими енергетичними характеристиками.

Достовірність результатів забезпечена коректним використанням відпрацьованих математичних методів і доказана порівнянням результатів моделювання з експериментальними даними. Обгрунтованість наукових досліджень і висновків базується на аналізі значної кількості емпіричних даних, отриманих автором у лабораторних і промислових умовах, а також при зіставленні з матеріалами інших дослідників.

Практичне значення одержаних результатів:

1) розроблено технологію виробництва паливного газу з прогнозованими енергетичними характеристиками;

2) розроблено методики визначення технологічних режимів і параметрів обладнання для виробництва ПГ з прогнозованими теплоенергетичними характеристиками для теплоагрегатів, які застосовуються в теплоенергетиці та інших галузях промисловості;

3) розроблені, експериментально апробовані та впроваджені у виробництво нові технології та обладнання для одержання ПГ з прогнозованими теплоенергетичними характеристиками з сумарним економічним ефектом 63 215 грн. на рік в умовах ВАТ «ДКПК» і 89 410 грн. на рік в умовах КП «ДТМ».

Особистий внесок здобувача. Експериментальні та теоретичні дослідження, що представлені в дисертаційній роботі, виконані за особистою участю автора зі співробітниками Дніпродзержинського державного технічного університету та Дніпропетровського державного аграрного університету. У наукових працях автора, які виконані разом зі співавторами, його особистий внесок полягає: у розробці математичної моделі тепломасообміну псевдозрідженого шару в камері піролізу та визначення тепломасообмінних характеристик шару, здійсненні досліджень та аналізу одержаних результатів [5,6]; у розробці оптимальних режимів отримання паливного газу при термічному розкладанні часток біомаси [2]; у виконанні експериментальних досліджень з оптимізації технологічних режимів для одержання висококалорійного газу [8]; у визначенні основних термічних і тепломасообмінних параметрів у теплоагрегатах [9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на 5 міжнародних конференціях: Міжнародна наукова конференція «Математичні проблеми технічної механіки» (Україна, Дніпродзержинськ, 2008 р.); Міжнародна наукова конференція «Математичні проблеми технічної механіки-2010» (Україна, Дніпродзержинськ, 2010 р.); Міжнародна науково-методична конференція «Проблеми математичного моделювання» (Україна, Дніпродзержинськ, 2010 р.); дев'ята міжнародна науково-практична конференція «Ресурси природних вод Карпатського регіону / Проблеми охорони та раціонального використання» (Україна, Львів, 2010 р.); друга міжнародна науково-технічна конференція «Земля України - потенціал енергетичної та екологічної безпеки країни» (Україна, Вінниця, 2011 р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 8 статтях спеціалізованих наукових видань і 5 доповідях і тезах конференцій та 1 науковій монографії.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку джерел 117 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 173 сторінки, серед яких 151 сторінка основного машинописного тексту, 60 рисунків та 25 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано стан наукової проблеми, актуальність і доцільність дисертаційної роботи, наведено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів дослідження, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі роботи виконано аналіз паливно-енергетичного балансу України, енергетичного потенціалу біомаси з урахуванням наявності сировинної бази України. Визначені перспективи застосування запропонованої технології для різних регіонів України. Виконано порівняльний аналіз існуючих технологій переробки відходів біомаси: пряме спалювання, газифікації і піролізу з точки зору одержання висококалорійного паливного газу. Доведено, що при використанні сільськогосподарських відходів біомаси (лушпиння рису і гречки, лушпиння соняшника, відходи деревини, дрібна мізга і ін.) технологія повільного низькотемпературного піролізу є найбільш ефективна, тому що вимагає найменших енергетичних витрат, а теплота згоряння піролізного газу вища за теплоту згоряння багатьох вторинних паливних газів. Зроблені висновки підтверджуються експериментальними дослідженнями процесу піролізу при різних режимах термообробки.

У другому розділі дисертаційної роботи виконані дослідження складу піролізного газу, отриманого шляхом термічного розкладання часток біомаси у потоці гарячого повітря. Склад досліджуваного палива визначали методом газової хроматографії.

Одержані в результаті проведення експериментів дані свідчать, що при підвищенні температури піролізу в межах 200 - 500 °С збільшується вихід газу, в основному за рахунок збільшення складу водню, метану і важких вуглеводнів. При температурі вище 280 °С відбувається зменшення виходу двоокису вуглецю та азоту, не бажаних домішок у паливному газі. Аналізуючи отримані експериментальні дані, можна зробити висновок, що зі зростанням температури кількість піролізного газу в газовій суміші збільшується, що пов'язано в першу чергу, з більш повним розкладанням часток біомаси.

Методом газової хроматографії отримано склад продуктів згоряння піролізного газу. Обробку даних за змістом NO_x у продуктах згоряння виконували з використанням методу планування експерименту. Для побудови моделі обрано ортогональний многокомпозиційний план другого порядку з ядром 2⁴. Факторними величинами визначено: вологість біомаси - Х₁, температуру досліджуваного газу - Х₂, час перебування сировини в досліджуваній зоні - Х₃, коефіцієнт надлишку повітря Х₄. Після обробки результатів отримано рівняння:

Y=1,387-3,6^-2Х₁+4,08^-2Х₄+8,54^-3Х₃²-2,187^-2Х₁Х₂-0,0194Х₁Х₃-2,187^-2Х₁ Х₄+0,0118Х₂ Х₄. (1)

Експериментально одержано значення теплоти згоряння піролізного газу за допомогою адіабатного калориметра моделі АБК-1 із вбудованим мікропроцесором, який дає можливість здійснити управління виміром теплоти згоряння палива. Факториними величинами, які впливають на режими обробки, обрано: температуру повітря - Х₁, вміст вологи часток - Х₂, витрати окислювача, який подається в піролізну камеру - Х₃, час термообробки часток Х₄. Отримані дані узагальнені залежністю:

Y=6976,946+283,42Х₁-339,77Х₂+248,28Х₃+217,07Х₄-246,9966X₁²-222,0042X₂² +552,7617X₃² -42,9439X₄² -176,25Х₁Х₂-126,25Х₁Х₃-103,75Х₁Х₄-662,5Х₂Х₃- 125Х₂Х₄-187,5Х₃Х₄. (2)

Проведені експериментальні дослідження дали можливість створити основу для подальшого теоретичного аналізу гідродинаміки та тепломасообміну в піролізній камері випробуваної енергоустановки.

У третьому розділі наведено результати чисельних досліджень, що виконувалися на базі розробленої математичної моделі гідродинаміки псевдо-зрідженого шару. Задача математичного моделювання полягала у визначенні гідродинамічних параметрів для проведення ефективного піролізу. Результатом математичного моделювання був пошук залежності тиску в шарі на різних режимах термообробки і визначення гідродинамічної характеристики піролізної установки. Для теоретичного аналізу взаємодії частки сировини з висхідним потоком газу, в залежності щільності газу від тиску, запропонована спрощена розрахункова модель системи.

У нашому випадку частки мають приблизно однакові розміри і масу, тому шар часток розглядається як єдине середовище з притаманними йому середніми теплофізичними параметрами. Тоді повна сила F, яку слід докласти до шару для початку псевдозрідження визначається масою завантаження часток сировини та поверхневої сили тертя:

(3)

. (4)

Сумарна підйомна сила, яка діє на шар матеріалу, дорівнює:

. (5)

Математична модель руху часток у вертикальному каналі представлена наступним чином:

Враховуючи основні закономірності утворення пульсацій шару, псевдозрідження частки починається при порушенні рівноваги балансу сил, що діють на шар: гравітаційної; сили динамічного напору потоку повітря; гідродинамічного опору потоку та опору на тертя.

Систему рівнянь (6) розв'язано методом Рунге - Кутта. Характерним для цих величин є наявність коливального процесу, який може бути нестійким затухаючим, і стійким в залежності від зовнішніх гідродинамічних умов. Аналогічний характер мають функціїі и .

Отримано систему рівнянь:

(7)

Експериментальним і розрахунковим шляхом визначено залежності гідравлічного опору псевдозрідженого шару матеріалу ?Р, висоти шару Н та порозності від швидкості газу.

Як показали розрахунки, для наших умов тиск становить (0,1-2,5) 10⁵ Па, Ar= 5,9 ? 10⁶ і Lу = 0,46, що відповідає першій критичній швидкості 0,4 м/с. Підвищення опору шару ДР в області значень швидкості 0,4 м/с та гістерезис обумовлені, очевидно, силами зчеплення між частинками шару і тертям об стінки апарату. На графіках не спостерігається чіткої межі псевдозрідження, оскільки матеріал полідисперсний і для кожної фракції псевдозрідження починається при різних критичних швидкостях, близьких до 0,4 м/с. Проведені дослідження показали, що межі існування киплячого шару залежать від частотних характеристик (геометричних параметрів та швидкості газу), температури і тиску середовища, а також встановлено значення параметрів, які узагальнені емпіричними залежностями.

Межі існування стійкого пульсуючого шару (частота 1 - 2 Гц) часток із вологістю 10 - 40% у температурному діапазоні 100 - 400 °С дійсні для висоти шару Н?D.

У четвертому розділі представлена математична модель, яка описує тепломасообмінні процеси в камері піролізу. Модель враховує три основних види переносу теплової енергії та маси: перенос теплоти та речовини всередені шару; теплопровідність частки і розподіл температури всередині частки в часі; взаємодія шару часток зі стінками піролізної камери.

Перепад температур по діаметру апарату:

(8)

Граничні умови:

(9)

(10)

Час вирівнювання температур по діаметру апарату:

. (11)

Для нашого випадку з приведеної залежності ф_в?0,5 - 1 с, можна порівняти з інтервалом пульсацій шару. Проведені розрахунки засвідчили, що перепад температур по перетину шару в перші 0,5 с приблизно складає 10 °С.

Для визначення теплопровідності частки виконали оцінку тепломасообміну для кожної з фаз. Теоретично доведено, що висота шару дорівніє приблизно 10 діаметрам часток. Цей факт можна пояснити тим, що вирівнювання значень концентрацій і температур матеріалу в шарі та повітря виконується на висоті 10d часток. Температура частки матеріалу в момент розкладання часток сировини:

; (12)

; (13)

; . (14)

Рівняння балансу концентрацій летучих компонентів у частці та повітрі:

(15)

, , , (16)

Стаціонарний режим шару:

(17)

Розподіл концентрації в шарі:

. (18)

Рівняння для визначення ефективного коефіцієнта масообміну:

. (19)

У п'ятому розділі наведено результати теоретичних та експериментальних дослідів, які отримані при розробці промислових технологій та обладнання для КП «ДТС» і для барабанної сушарки ДКПК.

На базі дослідної технології створено універсальне обладнання для термічної переробки біомаси та виробництва паливного газу для умов опалювальних котелень КП «ДТС». На першій стадії матеріал піддається термічному розкладанню, в результаті чого утворюється газоподібне паливо. На другій стадії ПГ подається до водогрійного котлоагрегату КСВа-0,63 Гн

Дослідження проводилися в цеху з виробництва сухого кукурудзяного корму. На виробництві досліджували ПГ, отриманий з дрібної мезги для барабанної сушарки.

Застосування піролізного газу в процесі сушіння дозволить скоротити споживання природного газу на 40%. При цьому параметри технологічного режиму суттєво не зміняться.

Для оцінки впливу термічних режимів переробки органічної сировини на якість і склад одержуваного газу розроблена математична модель, що побудована на основі ортогонального центрального композиційного плану другого порядку з ядром 2⁴. Факторами визначено: кількість повітря - X₁, температуру повітря - X₂, вологість матеріалу - X₃ і перепад тиску - X₄. Отримані рівняння виходу летучих компонентів піролізного газу:

Водень - ?₁= 4,124 - 0,3322X₁+0,1X₂ - 0,3157X₃ - 0,1415X₄ - 1,0483X₁² - 0,7983 X₂² -0,2985X₃² -0,7983X₄² - -0,5563X₁X₂ - 0,98125X₁X₃ - 0,09377X₁X₄ - 0,1071X₂X₃,

Метан - ?₂=3,4584 - 0,1319X₁+0,0634X₂ - 0,2561X₃ - 0,5382X₄ - 0,764X₁² - 0,514 X₂² -0,639X₃² - 0,514X₄² + 0,1251X₁X₂ - 0,606X₁X₃ - 0,0987X₂X₃,

СО - ?₃=4,132 - 0,1574X₁+0,0713X₂ - 0,2484X₃ - 0,55969X₄ - 0,8307X₁² - 0,581 X₂² -0,556X₃² - 0,556X₄² - -0,1068X₁X₂ - 0,759X₁X₃ - 0,185X₁X₄ - 0,085X₂X₄,

СО_{2 -} ?₄=3,6176+0,3238X₁-1,1171X₂+0,2484X₃- - 0,5341X₄+0,9044X₁²+0,6544X₂²+0,7794X₃²+0,7669X₄²- 0,0844X₁X₂-0,0794X₁X₃ - 0,4144X₁X₄- 0,0906X₂X₃+0,122X₂X₄ - 0,356X₃X₄,

Азот - ?₅=0,1997 + 0,0184X₁ - 0,087X₂ + 0,0075X₃ - 0,4082X₄ + 0,56X₃² + 0,0441X₄² + 0,016X₁X₃ - 0,018X₁X₄ - 0,017X₃X₄,

С_n H_{m -} ?₆=3,2532 + 0,075X₁+0,462X₂ - 0,2996X₃ - 0,331X₄ - 0,6834X₁² - 0,581X₂² - 0,284X₁X₂ - 0,044X₁X₃ + -0,094X₁X₄ - 0,1025X₂X₃ - 0,0775X₃X₄,

H₂S - ?₇=0,4488 + 0,0186X₁ - 0,0071X₂ - 0,0708X₄ + 0,0983X₂² + 0,129X₄² - 0,075X₁X₄-0,057X₂X₄ - 0,0365X₃X₄.

Регресійні залежності для всіх показників виявилися адекватними фізичним процесам, тому це дозволило використати їх для керування технологією розкладення з метою її оптимізації. Функціями мети визначено кількість водню У₁ у піролізному газі, інші показники включені в обмеження. У результаті отримана оптимізаційна модель виходу суміші летучих компонентів із повітрям. Чисельні значення обмежень прийняті після підсумовування середніх величин з інтервалами розкидів. З огляду на прийняті допущення, функція Лагранжа матиме наступний вигляд:

для водню - L₁=У₁+л₁(У₃+Х₅+20,8)+л₂(У₄+Х₆-19,2)+ л₃(У₅+Х₇+15,54);

для метану - L₂=У₂+ л₁(У₃+Х₅+20,8)+л₂(У₄+Х₆-19,2)+ л₃(У₅+Х₇+15,54);

для важких вуглеводнів -L₃=У₆+ л₁(У₃+Х₅+20,8)+л₂(У₄+Х₆-19,2)+ л₃(У₅+Х₇+15,54).

Для визначення оптимальних значень Х_к отримано 3 системи рівнянь:

У результаті рішення системи рівнянь (21) - (23) одержана стаціонарна точка функції Лагранжа (Х₁=10,44%, Х₂=396єС, Х₃=3,35%, Х₄=0,153). Як видно з представлених залежностей, виразити показник У₁ через У₂, У₃, У₄, У₅, У₆, У₇ складно. Тому застосовувався регресійний підхід, тобто величина У₁ оцінювалася при однакових умовах. На мультиколінеарність перевірялися за методом Фаррара-Глобера три системи рівнянь.

Запропонована методика і отримані рішення дають можливість прогнозувати інтенсивність масообміну, а за допомогою Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ можна керувати цим процесом. Отримані результати дають підставу стверджувати, що оптимізувати параметри У₁ можна не тільки підвищенням температури, але й підбором досліджуваних факторів. Отримані дані реалізовано у виробничих умовах.

ВИСНОВКИ

1. Виробництво біопалива сприяє скороченню дефіциту традиційних власних паливно-енергетичних ресурсів; дисбалансів у розвитку енергетичного комплексу України, який орієнтований на значне виробництво і споживання органічного палива і енергії , що виробляється на атомних електростанціях за фактичної відсутності виробництв з отримання ядерного палива, утилізації та переробки відходів.

2. На основі отриманих експериментальних даних можна зробити висновок про те, що склад летучих компонентів у процесі окислювального піролізу залежить від температурного рівня процесу. Вихід продуктів піролізу органічної маси уточнює уявлення про властивості палива, але при відносно повільному нагріванні. Слід зазначити, що сумарний вихід летучих компонентів не може повністю описати всі сторони надто складного процесу, однак він відображає сумарну кінетику процесу, пов'язуючи з основними чинниками - температурою і часом. 3. Встановлено, що температура займання піролізного газу визначає роль летучих у даному процесі. Чим більше летучих міститься у вихідному паливі, тим за інших рівних умов швидше відбувається його запалення, і тим інтенсивніше вигорає паливо. Також зазначимо, що склад і температура газової суміші впливає на перепад тиску в піролізній камері. Враховуючи, що процес піролізу відбувається при тиску, який постійно змінюється, досягши граничної температури, можливе займання піролізного газу і сировини.

4. Експериментально встановлено і підтверджено розрахунковим шляхом по запропонованих математичних моделях, що дисперсні частинки сировинного завантаження здійснюють поступальні й коливальні рухи. Амплітуда коливань залежить від режиму руху теплоносія у вертикальному каналі, витрати часток, акустичних характеристик апарату.

5. Експериментально знайдений у роботі діапазон частотних характеристик обгрунтовано теоретично. Побудовано граничні цикли стійкої роботи апарату.

6. В результаті експериментальних і теоретичних досліджень встановлено, що на якісний і кількісний склад піролізного газу впливають температура теплоносія, вологість сировини, кількість поданого для піролізу повітря і перепад тисків у камері піролізу. На підставі цього, була розроблена математична модель впливу технологічних і раціональних режимів на склад піролізного газу. Отримано регресійні рівняння, які пов'язують теплотехнічні характеристики з летучими компонентами піролізного газу. Запропоновано метод визначення необхідних параметрів для процесу піролізу шляхом отриманих регресійних рівнянь або за розрахунковими таблицями, що дозволяє значно скоротити час визначення раціональних режимів.

7. Експериментально досліджено отримання паливного газу для умов опалювальних котелень КП «ДТМ». У результаті випробувань було встановлено, що для стійкої роботи котла оптимальним варіантом є заміна 50% природного газу піролізним.

8. Експериментально досліджено отримання паливного газу для барабанної сушарки в цеху з виробництва сухого кукурудзяного корму на підприємстві ВАТ «ДКПК». Впровадження піролізного газу в процес сушіння дозволить скоротити споживання природного газу на 40%. При цьому параметри технологічного режиму суттєво не зміняться.

9. Оцінка економічної ефективності запропонованих технологічних процесів одержання піролізного газу в умовах опалювальних котелень КП «ДТМ» призводить до економії 89 410 грн. на рік за рахунок часткової заміни природного газу. В умовах ВАТ «ДКПК» призводить до економії 63 215 грн. на рік за рахунок економії природного газу на барабанних сушарках.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Золотовська О.В. Моделювання тепломасообміну в камері піролізу / О.В.Золотовська // Вісник Дніпропетровського Державного аграрного університету. - 2009. - №2. - С. 208-211.

2. Золотовська О.В., Міронов О.С. Вплив технологічних режимів термообробки біомаси на якісний склад піролізного газу / О.В.Золотовська // Вісник Дніпропетровського Державного аграрного університету. - 2010. - №1. - С. 75-80.

3. Золотовська О.В Взаємодія частки з потоком газу в вертикальному каналі / О.В.Золотовська // Системні технології. - 2009. - №3. - С. 50-56.

4. Золотовська О.В. Особливості процесу термічного розкладання часток біомаси / О.В.Золотовська // Збірка наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - 2010. - №2.- C. 36 - 44.

5. Павленко А.М. Визначення тепломасообмінних характеристик псевдо зрідженого шару піролізної камери/ Павленко А.М., Золотовська О.В.// Збірка наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - 2011. - №1.- С. 68 - 73.

6. Павленко А.М. Моделювання тепломасообміну в псевдозрідженому шарі// Павленко А.М., Золотовська О.В.//Математичне моделювання. - 2011. №1. - С. 21 - 25.

7. Золотовська О.В. Визначення гідродинамічних характеристик піролізної камери. / О.В.Золотовська // Системні технології. - 2011. - №3. - С. 50-56.

8. Золотовська О.В. Оптимізація процесу теплообміну дисперсного матеріалу в потоці теплоносія/ О.В. Золотовська, Сліпченко Н.В., Сайко О.Н. // Збірник наукових праць «Наукові праці ВНАУ». - 2011. - №1. - С. 52 - 54.

9. Міронов О.С. Телотехніка: навч. посібник. / Міронов О.С. , М.Р. Брижа,

В.Б. Бойко, О.В. Золотовська. - Дніпропетровськ: Пороги, 2010. - 404 с.

Размещено на Allbest.ru