Моделирование и расчет теплового баланса пиролизной установки для получения альтернативного топлива из биомассы

 

Современное развитие мировой экономики неразрывно связано с возрастанием производства электрической и тепловой энергии. Однако в крупных тепловых электростанциях производство энергии сопровождается огромными потерями и расходами природного органического топлива. Сегодня в Узбекистане одним из приоритетных направлений энергетической политики является развитие альтернативной энергетики и энергосбережение во всех сферах экономики страны [1].

Одним из классических возобновляемых источников энергии является биомасса. Применение биомассы в натуральном твердом виде связано с рядом проблем, основными из которых являются экология и недостаточная эффективность преобразования и использования энергии сырья. Предварительная термическая переработка биомассы в жидкую и газообразную формы представляется наиболее перспективной. Выработанное из биомассы жидкое и газообразное топливо более универсально, экологически приемлемо и имеет большое энергосодержание по сравнению с исходным сырьем (растительные отходы, навоз и другие виды биомассы). Термохимические технологии получения твердого, жидкого и газообразного топлива из различных видов биомассы включают в себя следующие процессы: прямое сжигание, пиролиз, газификацию, синтез.

Среди современных термохимических технологий энергетического использования биомассы пиролиз является наиболее универсальной, которая позволяет получать качественное, экологически безопасное твердое, жидкое и газообразное альтернативное топливо практически из любого сырья. При этом энергетические затраты на обеспечение термохимического процесса обычно не превышают 5–10 % от получаемых энергетических продуктов.

Нами создана и экспериментально исследована пиролизная установка для термической переработки биомассы и местных органических отходов с/х производства [2,3]. Принципиальная схема пиролизной установки представлена на рис.1.

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема пиролизной установки для термической переработки биомассы: БР — биореактор; ПСК — параболацилиндрический концентратор; К — конденсатор; ЖТ — жидкое альтернативное топливо; Г — газгольдер.

 

В процессе проектирования пиролизных установок ключевое значение имеет расчет теплового баланса биореактора в целях определения расход тепловой энергии на переработки биомассы. Для термической переработки биомассы в реакторе требуется определенный расход тепловой энергии. Тепловая энергия подведенная поддерживает температурный режим переработки биомассы. Для оценки энергоемкости переработки биомассы необходимо исследовать тепловой баланс реактора. На основе математического моделирования теплового баланса реактора решаются важные задачи энергосбережения и оптимизации реакторов биоэнергетических установок.

При работе биореактора часть тепло выделяемого при сжигании топлива, безвозвратно теряется в окружаюшей среде. Соотношения между полным поступлением тепла в биореактор, полезно использованным теплом в нем и тепловыми потерями выражаются тепловым балансом реактора.

Уравнение теплового баланса для трубчатой (цилиндрической формы) биореактора имеет следующий вид:

Q_прих = Q_расх, кДж/кг                                                                                                     (1)

где: Q_прих- приход тепла, кДж/кг;,Q_расх — расход тепла.

Расчет теплового баланса биореактора ведется на 1кг топлива

Q_расх = q_пол+q_ух.г+q_пот.ос+q_пот.х+q_пот.м+q_пот.ш,                                                                   (2)

где: q_пол, q_ух.г, q_пот.ос — соответственно тепло полезно использованное в реакторе сырьем, теряемое с уходящими дымовыми газами, теряемое в окружающей среде.

q_пот.х — потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива; q_пот.м — потеря тепла от механической неполноты сгорания топлива; q_пот.ш — потеря тепла с физическом тепла шлаков, кДж/кг.

При сжигании газообразного топлива (или жидкого), в котором отсутствует зола, можно принимать

q_пот.м = 0;  q_пот.ш = 0.

Приход тепла можно определить по выражению :

                                                            (3)

или

                                                                                        (4)

где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, в нашем случае = 20 000 кДж/кг(теплота сгорания полученного биогаза); - тепло вносимое в реактор топливом, воздухом и биомассой, кДж/кг.

Явное тепло топлива, воздуха и биомассы обычно невелико и ими часто в технических расчетах пренебрегают. Тогда , , .

Тогда уравнение теплового баланса биореактора имеет следующий вид:

.

Из уравнения (2) полезно использованное тепло равно

,                                                                                       (5)

К. П. Д. трубчатого биореактора:

,                                                                                                                        (6)

или

,                                                                                                         (7)

где, , - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплоты сгорания биотоплива.

Потери тепла в окружающую среду согласно предварительных расчетных и экспериментальных данных можно принимать 6 % (0,06 в долях) от низшей теплоты сгорания топлива, т. е. .

Температура уходящих дымовых газов определяется по формуле [4,5]:

T_ух = T₁ + T = T₁ + (100÷150) K;                                                                               (8)

где Т_1 — температура нагреваемого продукта на входе в реактор, К; T — разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции, T=150 К.

Т_ух = 450+150=600 К.

,                                                                           (9)

q_ух.9÷10 %. Согласно уравнение (5) вычислим полезно использованное тепло в биореакторе:

кДж/кг

К. П. Д. биореактора с учетом потерь тепла:

(85 %)

Диаграмма тепловых потоков представлена на рис.2.

Рис. 2. Диаграмма тепловых потоков в биореакторе ПУ

 

Теперь составим эксергетический баланс биореактора по уравнению:

,                                                                     (10)

где,  — эксергия исходного топлива, кДж/кг. В нашем случае для поддержания температурного режима реактора используется часть биогаза, полученный в собственной пиролизной установке, = 20000 кДж/кг.

кДж/кг.

 — эксергия атмосферного воздуха, кДж/кг.

При  и  МПа; .

 — эксергия продуктов сгорания биотоплива (биогаза), кДж/кг.

,                                                                                                        (11)

где,  — температура окружающей среды (атмосферного воздуха), К;  — температура горения по диаграмме «температура — энтальпия» (t-i), К.

При Т₀= t₀ + 273,15 = 20 + 273,15 = 293,15 K

 кДж/кг.

где - эксергия полученного пара при пиролизе биомассы, кДж/кг.

В биореакторе происходит процесс пиролиза и вырабатывается парогазовая смесь исходного сырья (биомассы) с температурой 450 ^оС. Температура продуктов сгорания в топке реактора 1700 ^оС. Эксергия теплоты полученного пара:

 кДж/кг.

Потери эксергии на 1 кг израсходованного топлива:

 кДж/кг.

 — потери эксергии в окружающую среду, кДж/кг.

 кДж/кг.

 — потери эксергии вследствии необратимости процесса горения, кДж/кг; вычисляется из эксергетического баланса:

 кДж/кг.

Эксергетический К. П. Д. биореактора:

(57 %).

Эксергетическая диаграмма представлена на рис.3.

Рис. 3. Эксергетическая диаграмма

 

Эксергетический баланс биореактора ПУ приведен в табл.1.

Таблица 1

Эксергетический баланс биореактора пиролизной установки

Подвод эксергии			Отвод эксергии
Параметр	КДж/кг.	%	Параметр	КДж/кг.	%
Эксергия исходного топлива Eвх = Eт	20 800	100	1.Потери эксергии продуктами сгорания, Eпс 2.Потери эксергии в окружающую среду, Eос 3.Потери эксергии вследствие необратимости процесса горения, Eгор 4.Полезно использованная эксергия, Eвых = En	5920   504       2576       11 800	28.5   2.5       12       57
	20 800	100		20 800	100

 

Потребность в теплоте для создания требуемого температурного режима складывается из количества теплоты, необходимой, чтобы подогреть биомассы (навоза) от температуры, характерной для подаваемого в реактор сухого навоза, до температуры пиролиза, и теплоты, идущей на компенсацию потерь, вызванных теплопередачей.

Количество теплоты, кДж, требуемое для подогрева загружаемой массы до температуры процесса пиролиза,

                                                                                                       (12)

где М_с — масса биомассы, кг; с_с — средняя удельная теплоемкость биомассы, кДж/(кг×^оС);; t_б — температура биомассы, ^оС;t_c — то же, загружаемого, ^оС.

Тепловые потери в биореакторе определяются разностью между температурой перерабатываемой биомассы и наружной температурой поверхностей реактора, площадью поверхностей контакта биомассы и наружного воздуха, коэффициентом теплопроводности материала стенки реактора, коэффициентом теплоотдачи поверхности контакта между средами, толщиной слоев стенок.

Количество теплоты, теряемой биомассы в результате теплоотдачи через стенку реактора в окружающую среду, кДж,

                                                                                                            (13)

где k — коэффициент теплоотдачи, кДж/(м³×ч×°С); Ғ — площадь поверхности теплообмена реактора, м³; t_c — температура биомассы в реакторе, °С; t_c — температура окружающей среды, °С.

Коэффициент теплопередачи определяем по формуле [4]:

                                         (14)

Пользуясь выражением (13), можно рассчитать потери теплоты теплоотдачей любым элементом поверхности реактора. Следовательно, общая потребность в теплоте для установки определяется главным образом затратами на подогрев биомассы до температуры пиролиза. Потребность в теплоте для компенсации потерь, вызванных теплоотдачей, можно снизить, применив соответствующую теплоизоляцию.

Источником теплоты для пиролизной установки служить собственный биогаз (пиролизный газ). Для экономии энергии и биогаза нужно стремиться к тому, чтобы экскременты животных по пути к реактору меньше охлаждались (для этого путь должен быть короче, а еще лучше, если реактор находится внутри животноводческой фермы), а трубопроводы были хорошо теплоизолированы. Для покрытия тепловых потребностей пиролизных установок можно использовать энергию солнца с применением параболацилиндрических концентраторов.

Упрощенный расчет теплового баланса биореактора с различной загрузкой массой биомассы (навоз) производим по следующей последовательности.

Исходные данные расчета:

I. Геометрические размеры биореактора:

а) внешний диаметр —

б) внутренний диаметр —

в) толщина стенки трубы

г) толщина теплоизоляции

д) высота реактора

е) объем реактора

ё) площадь теплообмена

II. Теплофизические характеристики биомассы (навоз):

а) коэффициент теплопроводности -

б) коэффициент температурапроводности —

в) средняя теплоемкость сухой биомассы -

г) плотность-  При польном загрузке реактора:

.

Результаты расчетов приведены в табл.2.

Таблица 2

Расчет теплового баланса реактора

№	m, кг			Qпод, КДж	К, Вт/м2×К	F, м2	Qпот, КДж	DQ КДж
1	100	20	450	77400	0,3	2,512	4665,6	72734,4
2	50	20	450	38700	0,3	2,512	4665,6	34034,4
3	25	20	450	19350	0,3	2,512	4665,6	14684,4

 

Выводы:

1.         Проведенный сравнительный анализ технических и энергетических характеристик биоэнергетических установок показывает, что энергоемкость переработки биомассы в существующих установках достигает до 50–60 % в общем тепловом балансе, что приводит к определенным трудностям внедрения и снижает их энергетическую эффективность.

2.         Среди современных термохимических технологий энергетического использования растительной биомассы, пиролиз является наиболее универсальной, которая позволяет получать качественное, экологически безопасное твердое, жидкое и газообразное альтернативное топливо практически из любого сырья. При этом энергетические затраты на обеспечение термохимического процесса обычно не превышают 5–10 % от получаемых энергетических продуктов.

3.         Создана опытная пиролизная установка для термической переработки биомассы с использованием солнечной энергии. Использование данной установки позволяет повысить эффективность переработки биомассы на 20–30 % по сравнению с аналогами и обеспечивает комплексное использование возобновляемых источников энергии, т. е. энергии солнца и биомассы. При переработке 1 тонн биомассы будет получены: 10–20 % древесного угля, 20–30 % пиролизного газа и 50–60 % нефтеподобной жидкости.

4.         Результаты расчета теплового баланса биореактора пиролизной установки показывает, что потери тепла при польном загрузке реактора составляет 6 % от подведенного тепла, а при загрузке 50 кг биомассы (50 % загрузка) в реактор потери тепла составит 12 %. Таким образом, чтобы экономить энергии термической переработки биомассы необходимо осуществить при польном загрузке реактора.

5.         Эксергетический анализ работы биореактора показывает, что наибольшие потери эксергии происходить с уходящими продуктами сгорания топлива (28,5 %), который необходимо утилизировать для предварительной сушки биомассы.

 

Литература:

 

1.         Указ Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему разватию альтернативных источников энергии» УП-4512 от 01.03.2013 г.

2.         Раббимов Р. Т., Узаков Г. Н., Яхшибоев Ш. Я., Хужакулов С. М. Способ переработки биомассы с использованием солнечной энергии // Молодой ученый. — Чита, Россия: 2010.- № 8-с. 136–140.

3.         Узаков Г. Н., Раббимов Р. Т., Алиярова Л. А. Эффективность применения пиролизной технологии для получения альтернативного топлива из местных органических отходов. //Молодой ученый. № 4.-2014., с.280–283.

4.         Павлов И. И., Федоров М. Н. Котельные установки и тепловые сети. М.:Стройиздат.-1972.-285с.

5.         Кузнецов А. А., Кагерманов С. М., Судаков Е. Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Л.: Химия. 1974.-344с.