Підвищення теплотехнічних і екологічних показників спалювання біогазу в теплогенеруючому обладнанні - Автореферат

Ефективність та надійність процесу біоконверсії в значній мірі залежить від організації використання біогазу при видобутку теплової енергії у водогрійних котлах. 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. Звязок 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. 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. 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 .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”. Досліди проводяться на природному газі та біогазі при різних витратах палива на котел з використанням пластин у жаротрубному пучку та без них. 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, NOX, %; температура відхідних газів, 0С; температура повітря в котельному залі поблизу дослідного пристрою, 0С; термін проведення досліду, с. Очікувані похибки величин складають: витрати палива 0,15…0,2 %; температури відхідних газів 0,52…0,6 %; вміст СО і NOX 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 %. 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 обєму в топкі; увязка 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.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. 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; збільшення частки біогазу у суміші із природним газом призводить до зростання кількості викидів NOX 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.

Основний зміст роботи

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 NOX 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 NOX 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.

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