Удк 62. 932. 2 + 621. 001. 63 Обоснование и разработка автономно

На правах рукописи

Плотников Дмитрий Анатольевич

УДК 62.932.2 + 621.001.63

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЛЛЕТ С ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ ОТ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО СЫРЬЯ

Специальность: 05.02.13

«Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет

Научный руководитель: доктор техн. наук, профессор

Диденко Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор техн. наук, профессор

Филькин Николай Михайлович

канд. техн. наук, доцент

Сергеев Алексей Александрович

Ведущая организация: Институт прикладной механики УрО РАН, г.Ижевск

Защита состоится «17» октября 2008 г в ____на заседании диссертационного совета Д212.065.03 при ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет,

426069, г. Ижевск, Студенческая 7, тел. (341-2) 58-88-46 в конференц-зале отдела аспирантуры и магистратуры (7й корпус)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИжГТУ

Автореферат разослан «____» сентября 2008

Ученый секретарь

диссертационного совета: доктор техн. наук, профессор

Турыгин Юрий Васильевич

Общая характеристика работы:

Актуальность

В связи с истощением запасов ископаемых топлив, во всем мире ведутся исследования по использованию биотоплива. Для отопительных целей одним из перспективных является древесное гранулированное топливо – пеллеты. Несмотря на массу достоинств, пеллеты пока еще недостаточно распространены в России. Из-за ряда особенностей технологии их производства, цена на пеллеты еще достаточно высока, для того чтобы они могли конкурировать с традиционными нефтью и газом. Решению данной проблемы посвящена данная работа.

Объект исследования

Машины и агрегаты для производства древесного гранулированного топлива (пеллет)

Цель диссертационной работы

Обоснование и разработка автономной установки по производству пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья

Задачи

Исследовать современное состояние вопроса по разработке установок для переработки отходов лесной, торфодобывающей промышленности, и сельского хозяйства, провести технико-экономический анализ технологии производства пеллет и обосновать основные принципы снижения стоимости производства пеллет

Разработать общую структуру и принципиальную технологическую схему установки по производству пеллет, предусматривающую размещение агрегатов на автомобильном шасси, с энергоблоком для выработки тепловой и электрической энергии от перерабатываемого древесного топлива. Обосновать оптимальную производительность установки.

Разработать метод расчета установки.

Обосновать принятые конструктивные решения агрегатов установки и оценить экономическую эффективность принятого решения мобильной установки для производства пеллет с автономным энергообеспечением.

Методы исследований

в работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях физико-химических основ горения, механики жидкостей и газов, математического моделирования и деталей машин.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, корректностью использованных математических методов, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, а также успешным опытом использованием отдельных агрегатов установки в промышленной эксплуатации. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на изобретение

На защиту выносятся:

Результаты анализа современного состояния вопроса по разработке установок для переработки в топливо отходов лесной, торфодобывающей промышленности, и сельского хозяйства, результаты технико-экономического анализа технологии производства пеллет, с целью поиска основных принципов снижения стоимости их производства

Разработанные общая структура и принципиальная технологическая схема установки для производства пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья, а также результаты обоснования оптимальной производительности предлагаемой установки

Разработанный метод расчета установки.

Конструктивные решения агрегатов установки для производства пеллет мобильного базирования с автономным энергообеспечением от перерабатываемого сырья и технико-экономическая оценка ее эффективности.

Научная новизна

Автором предложена усовершенствованная технология производства пеллет, отличающаяся тем, что обеспечение технологического процесса теплотой и электроэнергией осуществляется за счет газификации части перерабатываемого сырья, с последующим сжиганием получившегося генераторного газа в газовом двигателе и теплогенераторе, с получением электрической и тепловой энергии соответственно.

Автором разработан метод расчета предлагаемой установки для производства пелет.

Практическая полезность

Разработанная и запатентованная мобильная установка по производству пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья позволяет решить проблему переработки биомассы в отрыве от транспортной и энергетической инфраструктуры.

Предложенный метод расчета установки позволяет производить подбор оборудования с высокой степенью точности, что значительно снижает финансовые и временные затраты на проектирование и отработку установки.

Реализация результатов

Результаты работы были использованы в фундаментальной НИР № ТП 7-08 «Исследование процессов тепломассообмена при переработке биомассы в альтернативные виды топлива” в ГОУ ВПО “Ижевский Государственный технический университет”

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

Всероссийская конференция инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», 26-29 сентября 2006г г.Томск (почетный диплом )

Научно-техническая конференция «Проблемы энерго-ресурсосбережения» ИжГТУ, Ижевск, 20 апреля 2007 г.

V Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов «Российским инноваторам – российский капитал», Пермь, 25-26 апреля 2007 г.

Научно-практическая конференция «Региональные аспекты реформы энергетики» Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ) 27 февраля 2008 года.

Научно-техническая конференция “Проблемы энерго-,ресурсосбережения и охраны окружающей среды” ИжГТУ , Ижевск, 22-23 мая 2008

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 9 научных работах (4 из списка рекомендованных ВАК, в том числе в одном авторское свидетельстве).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка, включающего 102 наименования. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит 27 рисунков, 10 таблиц.

Краткое содержание работы

Рисунок 1. Затраты на производство пеллет при традиционной технологии.

Во введении показана актуальность рассматриваемой темы, сформулированы объект и методы исследования, определены цель и задача научной работы.

В первой главе

приведен аналитический обзор современного состояния работ по созданию установок для переработки отходов лесной, торфодобывающей промышленности, и сельского хозяйства. Показано, что пеллетирование (гранулирование) является наиболее прогрессивным способом переработки горючей биомассы в топливо для отопительных целей. Приведен технико-экономический анализ технологии производства пеллет. Рассмотрены проблемы транспортировки исходного сырья и конечной продукции, а также методы обеспечения технологии энергоносителями. В результате поиска путей снижения стоимости производства пеллет сделан вывод: установка по производству пеллет должна быть мобильной и иметь автономное энергообеспечение.

В случае обеспечения данных принципов минимизируются следующие затраты (рис.1):

а) На сырье. Стоимость исходного сырья зависит от близости к инфраструктуре, причем основная часть стоимости – это затраты на транспортировку. При использовании мобильной установки с автономным энергоснабжением возможна работа с сырьем минимальной стоимости (удаленные лесопилки, рубки ухода), при этом затраты на транспортировку сырья практически отсутствуют.

б) На сушку (наиболее затратный по теплоте процесс).

в) На дробление, пеллетирование, охлаждение (потребители электроэнергии).

Очевидно, что реализовав два вышеуказанных принципа (мобильность и энергоавтономность установки), возможно значительно снизить общую стоимость производства пеллет

Во второй главе приведены результаты реализации данных принципов. Мобильность обеспечивается размещением агрегатов установки на транспортных носителях, в качестве которых, как наиболее оптимальные, приняты автомобильные шасси. Для автономного энергообеспечения установки выбран слоевой газогенератор обращенного типа. Проведено исследование современного состояния вопроса проектирования и производства газогенераторов.

Общая структура установки по производству пеллет представлена на рис.2, и включает в себя: газогенератор, фильтр, теплогенератор, охладитель газа, молотковую дробилку, барабанную сушилка, газовый двигатель, электрогенератор, дозатор воды, смеситель, пресс-экструдер, охладитель, сепаратор, выход конечной продукции (весы и контроль). Данная структура соответствует патенту №55774 «Установка переработки биотоплива» от 28.03.2006 ,

(патентообладатель ГОУ ВПО «Ижевский Государственный Технический Университет», авторы В.Н.Диденко, Д.А. Плотников).

Рисунок2. Структура установки.

SHAPE \* MERGEFORMAT

Мобильным вариантом реализации этой структуры с агрегатированием по шасси является схема установки, представленная на рисунке 3.

Перерабатываемое сырье (тонкомер, горбыль, порубочные остатки) подается в рубильную машину, расположенную на шасси №1. Полученная щепа поступает на молотковую дробилку и далее в барабанную сушилку (шасси №2), где подсушивается до влажности 10-12%. После чего подает в блок прессования – шасси №5. Здесь в циклоне древесная мука отделяется от сушильного агента. Далее древесная масса подается на пресс-гранулятор, где гранулируется. Готовые гранулы, имеющие высокую температуру, попадают на транспортер-охладитель (нория), охлаждаются, и после упаковываются в пакеты. Часть сырья, в количестве примерно 30%, отбираемая после барабанной сушилки и подающаяся на газогенераторы, служит для выработки тепловой и электрической энергии. В энергоблоке (шасси №4) происходит газификация топлива, охлаждение и очистка полученного генераторного газа, а также его сжигание в газовом двигателе с получением электрической энергии. Полученный генераторный газ содержит две основные горючие части — окись углерода СО и водород H2, а также балласт в виде N2,СО2, Н2О. Из-за применения сырья с большим выходом смолистых веществ, был применен слоевой газогенератор, с обращеным процессом.

Рисунок №3. Принципиальная схема установки мобильного базирования с автономным энегоообеспечением от перерабатываемого сырья

SHAPE \* MERGEFORMAT

газификации, газогенератор. Он позволяет получать генераторный газ, не загрязненный смолистыми веществами, что благоприятно сказывается на надежности работы двигателя. После газогенератора газ охлаждается в кожухотрубном теплообменнике, служащим также гравитационным осадителем. При этом охлаждающей средой является воздух. После теплообменника газ фильтруется на сетчатых фильтрах, и дымососом подается на сжигание в газовый двигатель и на горелку теплогенератора (шасси №4).

В установке применены следующие энергосберегающие решения:

а)газ выходящий с газогенератора имеет высокую температуру, порядка 400 С. Для стабильной работы газового двигателя он охлаждается в теплообменнике до 30 °C.. При этом воздух, забравший теплоту, является одним из компонентов сушильного агента.

б)охлаждение камеры сгорания теплогенератора осуществляется воздухом, проходящим через кольцевой канал вокруг камеры сгорания, при этом подогретый воздух используется как один из компонентов сушильного агента

в)выхлоп, образующийся после газового двигателя, имеет высокую температуру, и поэтому применяется как один из компонентов сушильного агента.

В третьей главе излагается разработанный метод расчета установки в виде расчетного алгоритма, а также частные методики по расчету отдельных агрегатов установки.

Укрупненный алгоритм расчета в виде блок схемы представлен на рисунке 4

Описание частных методик дано в блоках 1-9 алгоритма расчета.

Блок 1. Расчет состава генераторного газа

Состав генераторного газа определяется решением системы уравнений балансов топлива, теплоты и уравнения константы равновесия обратимой реакции СО+Н2О↔СО22. По известному составу генераторного газа находится его теплота сгорания. Также в этом расчетом блоке определяется теплота сгорания твердого топлива (сырья), выход генераторного газа с 1 кг сырья и расход воздуха на газификацию.

Рисунок 4. Общий алгоритм расчета

SHAPE \* MERGEFORMAT

Таблица№1 Расчет состава генераторного газа. Определение теплоты сгорания твердого топлива и генераторного газа

Вводимые значения

Элементный состав сырья (рабочий) в % ( Ср, Нр р р,Wр)

Константа равновесия реакции СО+Н2О↔СО22. Кр

Используемые формулы

EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

100-(СО+СО222О)=N2; EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 ; Qрв (тв.т)=340Ср+1260Нр-109(Ор-Sрл)

Qрн (тв.т)=340Ср+1035Нр-109(Ор-Sрл)-25*Wр

Qггв=126,5СО+127,5Н2, Qггн=126,5СО+107,5Н2

EMBED Equation.3

Результаты

Выход газа νв.г м3/кг

Состав газа в % (СО, СО2, Н2, Н2О, N2)

Условный КПД газогенератора EMBED Equation.3

Теплота сгорания твердого топлива Qрв (тв.т), Qрн (тв.т), кДж/кг

Теплота сгорания генераторного газа Qггв, Qггн, кДж/м3

Расход воздуха на газификацию 1 кг топлива L, м3/кг

Блок №2 Расчет состава дымовых газов

по известному составу генераторного газа определяется состав и количество дымовых газов,

Таблица№2 Расчет состава дымовых газов

Вводимые значения

Состав газа в % (СО, СО2, Н2, Н2О, N2)

Коэффициент избытка воздуха EMBED Equation.3

Используемые формулы

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3

Результаты

Теоретическое количество воздуха на сжигание EMBED Equation.3 м33

Количество трехатомных газов EMBED Equation.3 м33

Количество двухатомных газов EMBED Equation.3 м33

Количество водяного пара EMBED Equation.3 м33

Общее количество дымовых газов EMBED Equation.3 м33

Блок №3 Расчет двигателя

По известной теплоте сгорания генераторного газа, электрической нагрузке на технологию и по характеристикам применяемого двигателя определяется объем двигателя и расход газа на него.

Таблица №3 Расчет двигателя

Вводимые значения

EMBED Equation.3 — количество горючей смеси, кмол гор.см./кмоль топлива.;

Тк –температура воздуха °K;

pi – индикаторное давление MПа ;

pk – давление воздуха после компрессора (наддув) МПа;

EMBED Equation.3 — низшая теплота сгорания генераторного газа МДж/м3; EMBED Equation.3 — коэффициент наполнения цилиндров;

Используемые формулы

EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 Gсмдвиг.= EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3

Результаты

Индикаторный КПД EMBED Equation.3 ; теплота сгорания смеси газ/воздух hu Дж/м3; давление трения EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ; среднее эффективное давление EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 -рабочий объем цилиндров дм3; расход газо-воздушной смеси Gсмдвиг м3/ч: расход генераторного газа на двигатель EMBED Equation.3 м3

Блок№4 Расчет барабанной сушилки

По требуемой производительности установки, влажности исходного сырья, влажности сырья, которую необходимо иметь перед пресс-гранулятором, и характеристикам применяемой барабанной сушилки определяется расход сушильного агента. В первом приближении, параметры сушильного агента принимаются как у воздуха. После завершения всего алгоритма расчета и получения окончательного состава сушильного агента, строится его I-d диаграмма, по которой производится пов ерочный расчет процессов сушки.

Таблица №4 Расчет барабанной сушилки

Вводимые значения

Gпел требуемая производительност установки кг/ч; Wсыр – влажность исходного сырья; Tвх – температура сырья на входе; Tвых – температура сырья на выходе; D –диаметр сушилки, dоп – эквивалентный диаметр измельченного сырья ; напряжение барабана по испаряемой влаге A кг/(м3·ч); расход топлива на газогенераторы Gт (при 1й итерации принимается 0,4 Gпел) кг/ч ; ρг – плотность сушильного агента при средней температуре; ρтв – плотность сырья; EMBED Equation.3 — динамическая вязкость сушильного агента при средней температуре с/м2; теплоемкости воды и сырья (опила) Дж/(кг °К) — своды и сопил

Используемые формулы

EMBED Equation.3 =Gпел+Gт; EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Qбс=(Gвл*(свод*(Tвх -Tвых)+r)+ EMBED Equation.3 *cопил*(Tвх -Tвых))/3600

EMBED Equation.3 ; где EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; Gca=Vca*ρг

Результаты

EMBED Equation.3 -расход сухого сырья кг/ч; EMBED Equation.3 -расход влажного сырья кг/ч; Qбс расход тепла на барабанную сушилку Вт; скорость уноса EMBED Equation.3 м/с; допустимая скорость EMBED Equation.3 м/с; EMBED Equation.3 расход сушильного агента м3/с при средней температуре ; Gca расход сушильного агента кг/с

Блок№5 Расчет сушильного агента

Из расхода сушильного агента, расхода дымовых газов после теплогенератора, расхода газов после двигателя определяется расход воздуха, идущего на образование сушильного агента.

Таблица №5 Расчет сушильного агента

Вводимые значения

EMBED Equation.3 -выход дымовых газов с 1м3 газа м33

Используемые формулы

EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 * EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ;

EMBED Equation.3 * EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3

Результаты

EMBED Equation.3 — расход дымовых газов от двигателя EMBED Equation.3 ;

EMBED Equation.3 расход газа на теплогенератор EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 — расход дымовых газов от теплогенератора EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 — расход воздуха на образование сушильного агента EMBED Equation.3 ;

Рисунок 5 Расчетная схема теплообменника

Блок №6 Расчет теплообменника

По известным расходам генераторного газа и воздуха рассчитывается теплообменник-охладитель газа.

Таблица №6 Расчет теплообменника

Вводимые значения

EMBED Equation.3 -выход дымовых газов с 1м3 газа м33

EMBED Equation.3 — температура газа на входе °К; EMBED Equation.3 — температура газа на входе °К; EMBED Equation.3 — температура воздуха на входе, ri объемные доли компонентов генераторного газа; EMBED Equation.3 -молекулярные массы компонентов генераторного газа; ci – теплоемкость компонента газа (изохорная) EMBED Equation.3 ; С1 – теплоемкость генераторного газа EMBED Equation.3 ; С2 – теплоемкость воздуха EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 -плотность i-го компонента газа кг/м3 ; EMBED Equation.3 — теплопроводность, Вт/(м*0С); ηi — коэффициент динамической вязкости; [Па*С]; G1 – расход генераторного газа через теплообменник кг/с, G2 – расход воздуха через теплообменник кг/с

Используемые формулы

EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; С1=∑qiCi ; EMBED Equation.3

ρ0= ri * ρi ; ρ= ρ0*(273,15/(t+237.15))

λ=(λсо*СО+λсо2*СО2н22н2о2О+λN2*N2)

λ’’=1/( СО/ λсо+ СО2/ λсо2+ Н2/ λн2+ Н2О/ λн2о+ N2/ λN2)

λ=0,5*( λ— λ’’)

η=1/(qco/ ηс+q со2/ η со2+ q н2/ η н2+qн2о/ ηн2о+q N2/ η N2)

EMBED Equation.3 , a= λ/( с*ρ), Pr= ν/a

EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 ; Δtперек.= Δtпрот.перек; EMBED Equation.3

Результаты

;Δtперек. –средний температурный напор при перекрестнй схеме; EMBED Equation.3 м2 –площадь труб теплообменника, Pr –критерий Прандтля, Re- критерий Рейнольдса; EMBED Equation.3 коэфициент теплоотдачи, Nu – критерий Нуссельта, ν м2/c – коэффициент кинематической вязкости



Страницы: 1 | 2 | Весь текст