КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИНИ-ТЭС С МОДУЛЕМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БИОТОПЛИВ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 26.08.2011. Ред. рег. № 1100 The article has entered in publishing office 26.08.11. Ed. reg. No. 1100

УДК620.952

КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИНИ-ТЭС С МОДУЛЕМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БИОТОПЛИВ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

1 12 2 2 В.Г. Систер , Е.М. Иванникова , С.В. Чирков , В.Г. Чирков , Ю.А. Кожевников

Московский Государственный университет инженерной экологии 105066 Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4 Тел.: (499) 261-50-57, факс: (499) 267-19-70, e-mail: iegh510@yandex.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru

Заключение совета рецензентов: 10.09.11 Заключение совета экспертов: 20.09.11 Принято к публикации: 25.09.11

В работе предложена методика компьютерного проектирования и моделирования рабочих режимов мини-ТЭС с модулями пиролиза, преобразующими биомассу микроводорослей в горючий газ, предназначенный для питания силовой установки на основе поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Методика включает специально разработанный пакет прикладных программ, базирующихся на эмпирических и аналитических соотношениях всех стадий преобразования энергии.

Ключевые слова: биотопливо, микроводоросли, мини-ТЭС, пиролиз.

COMPUTER DESIGN OF MINI-TES WITH MODULE OF PREPARATION OF THIRD GENERATION BIOFUELS

V.G. Sister1, E.M. Ivannikova1, S.V. Chirkov2, V.G. Chirkov2, Yu.A. Kozhevnikov2

1Moscow State University of Environmental Engineering 21/4 Staraya Basmannaya str., Moscow, 105066, Russia

Tel.: (499) 261 50 57, fax: (499) 267 19 70, e-mail: iegh510@yandex.ru

2All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1-st Veshnyakovsky passage, Moscow, 109456, Russia

Tel.: (499) 171 1920, fax: (499) 170 5101, e-mail: viesh@dol.ru

Referred: 10.09.11 Expertise: 20.09.11 Accepted: 25.09.11

In the technique of computer-based design and simulation of the operating modes of mini-TES pyrolysis modules that convert biomass algae into fuel gas, intended to supply the propulsion system based on reciprocating internal combustion engine (ICE). The method includes the specially developed software package, based on empirical and analytical ratio at all stages of energy conversion.

Ключевые слова: biofuel, microalgae, mini-TES, pyrolysis.

Продукты переработки биомассы микроводорослей топливного назначения выделены в отдельную группу - биотоплива третьего поколения - благодаря некоторым уникальным особенностям, в число которых входят «аномально» высокая продуктивность [1] и пластичность метаболизма, выражающаяся в значительном изменении химического состава в зависимости от условий культивирования [2, 3]. Подавляющее большинство исследований в области техно-

логий производства биотоплив из микроводорослей относится к производству биодизельного топлива, производимого на основе растительных жиров [4]. При этом такие компоненты растительной биомассы, как белки и клетчатка, рассматриваются в качестве балластных, вследствие чего из ресурсной базы практически исключаются аборигенные штаммы открытых водоемов, характеризующиеся, как правило, низким (менее 15%) содержанием липидов, а са-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

мо производство в большинстве случаев оказывается нерентабельным. В условиях средней полосы России проблема снижения себестоимости биотоплив третьего поколения может быть решена за счет расширения производства до промышленных масштабов при комплексном использования всей органической массы микроводорослей, способных давать стабильный урожай в открытых водоемах.

Известным универсальным технологическим методом комплексной переработки органических материалов в биотоплива является метод быстрого пиролиза, позволяющий получать твердые, жидкие и газообразные топлива в различных соотношениях в зависимости от условий проведения технологического процесса [5]. К основным недостаткам данной технологии относятся низкая теплотворная способность жидкого и газообразного энергетического продукта по сравнению со стандартными моторными топливами, что делает малорентабельными их транспортировку и использование в этом качестве. Тем не

менее, такие низкокалорийные топлива могут быть эффективно утилизированы в автономных комбинированных теплоэлектрогенерирующих системах (ми-ни-ТЭС) [6].

В настоящей работе предложена методика компьютерного проектирования и моделирования рабочих режимов мини-ТЭС с модулями пиролиза контактного типа, преобразующими биомассу микроводорослей и другие виды растительного сырья в газ, пригодный для использования в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) поршневого типа, а также некоторые параметры конструкции модуля пиролиза (МП) при заданной электрической или тепловой мощности генерирующей установки (ГУ). Общая технологическая схема моделируемого технологического цикла (рис. 1) включает в себя три этапа преобразования энергии, последовательно осуществляемые в модуле пиролиза, двигателе внутреннего сгорания и электрической машине (ЭМ).

Модульпиролиза

Превращение биомассы в жидкие и газообразные топлива

ДВС в составе ГУ

Превращение энергии пиролизного газа в механическую и тепловую энергию

Электрическая машина в составе ГУ

Превращение механической энергии в электрическую

Рис. 1. Общая схема технологического цикла комбинированной мини-ТЭС Fig. 1. General scheme of the technological cycle of the combined mini-TES

Физико-химические процессы, происходящие в модуле пиролиза Physical and chemical processes occurring in the pyrolysis module

Стадия цикла Термическое воздействие на вещество в конденсированной фазе Переход продуктов термической обработки в паровую фазу Термическое воздействие на парообразные продукты Охлаждение парообразных продуктов

Типы процессов Процессы в конденсированной фазе Гетерогенные процессы Процессы в паровой фазе Гетерогенные процессы

Физико-химические явления Теплообмен, декомпозиция, синтез Теплообмен, переход в паровую фазу Теплообмен, декомпозиция Теплообмен, конденсация

Продукты Твердые, жидкие и газообразные продукты Твердые и парообразные продукты Паровая композиция тяжелых и легких фракций Жидкие и газообразные продукты

Соответственно, задача математического моделирования в общем случае должна содержать три основных блока - по числу этапов технологического цикла. Она может быть упрощена, если учесть, что энергетические потери (тепловые, электромагнитные, акустические) на этапе преобразования механической энергии в электрическую посредством электрогенератора пренебрежимо малы по сравнению с тепловыми потерями ДВС. Более того, они учитываются в общем КПД электрогенерирующего агрегата, приводимом в техническом паспорте ГУ.

Наибольшую сложность при моделировании работы комбинированной мини-ТЭС представляет расчет физико-химических процессов (таблица), происходящих в модуле пиролиза при преобразовании

органической массы в жидкие и газообразные компоненты, соотношение которых может регулироваться в широких пределах путем изменения ограниченного числа технологических параметров. При этом выход газообразной и конденсированной составляющих продуктов пиролиза многокомпонентного органического сырья, каким является биомасса микроводорослей, существенно зависит от скорости нагрева, особенно на стадии термического воздействия на вещество в конденсированной фазе. Это обусловлено тем, что при умеренных значениях температуры наряду с реакциями деструкции полимерных компонентов могут идти реакции полимеризации, в результате чего состав и соотношение промежуточных продуктов могут быть разными в зависимости от

скорости проведения технологического процесса. Задача моделирования данной стадии цикла существенно упрощается для случая, реализуемого в методе высокоскоростного нагрева (ВСН), когда органическое вещество практически мгновенно переводится в парообразное состояние, минуя возможные промежуточные стадии. Выход пиролизного газа в значительной степени зависит также от времени пребывания парообразных компонентов в зоне нагрева и от средней температуры в этой зоне.

Зависимость выхода газообразного и конденсированного продуктов имеет вид, представленный на рис. 2. Для конкретной конструкции модуля и при заданной скорости загрузки сырья она практически полностью определяется температурой в реакторе, что позволяет проектировать комбинированные ми-ни-ТЭС по экспериментальным данным, полученным на МП различных типов.

о

550

X, %

Пиролизныи газ ^

Пиролизная жидкость ■—

Кокс

600 650 700 т;=с

Рис. 2. Температурная зависимость выхода фракций

продуктов пиролиза Fig. 2. Temperature dependence of output of fractions of pyrolysis products

В общем случае для определения выхода пиро-лизного газа рассматривают поэтапно последовательность всех возможных химических превращений всех органических компонентов сырья в процессе термической деструкции. Обычно совокупность химических процессов деструкции при быстром пиролизе условно разбивают на три этапа [7]. На первом этапе происходит разрыв водородных связей, дегидратация и деполимеризация основных органических компонентов и выделение продуктов деструкции в паровую фазу. Второй этап включает в себя реакции мономолекулярной деструкции компонентов на вторичные продукты пиролиза, сопровождающиеся интенсивным выделением химически активных ион-радикалов (преимущественно двух- и трехатомных). В третий этап выделяют гомогенные реакции цепного распада вторичных продуктов в паровой фазе с участием ион-радикалов, приводящие к образованию третичных газообразных неорганических (СО, СО2, Н2О) продуктов и углеводородов с числом звеньев от 2 до 4. Конденсированными продуктами технологического процесса являются пиролизная жидкость и кокс.

Эффективную константу распада /-го компонента на отдельном этапе определяют по средним значениям энергии активации распада (Е) с помощью уравнения Аррениуса:

-Б/КГ

k = Ae

(1)

Полная эффективная константа распада для данного компонента представляет собой произведение эффективных констант распада на каждом из трех этапов пиролиза:

k ~ knk„kn

(2)

При этом выход третичных продуктов деструкции /-го компонента органического сырья определяется по формуле

[C] « kA i

(3)

где А, - массовая доля /-го компонента в исходном органическом сырье.

Расчетная производительность (скорость загрузки) модуля пиролиза БМР определяется по заданной электрической РБ или тепловой Рд мощности с учетом теплотворной способности пиролизного газа д^аз, произведенного из органического сырья с теплотворной способностью д, если известна массовая доля газовой фракции в продуктах пиролиза и запальная доза к - массовая доля дизельного топлива в топливной смеси (в энергетическом выражении), поступающей в ДВС, работающий в газодизельном режиме [8], в расчете на единицу потребляемой мощности ГУ).

Рис. 3. Алгоритм расчета теплотворной способности Fig. 3. Algorithm for calculating of heating capacity

Алгоритм расчета теплотворной способности исходного сырья с учетом содержания влаги (рис. 3) предусматривает вычисление этого параметра по типовому максимальному значению (для абсолютно сухого органического сырья) или по заданному элементному составу с помощью извест-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

ных эмпирических формул, в частности формулы Д.И. Менделеева:

339 [C] + 1025 [H] - 108,3 ([O]-[S]),

(4)

где [С], [Н], [О] и [8] - массовые доли углерода, водорода, кислорода и серы в процентах.

При заданной электрической мощности ГУ производительность МП рассчитывается по формуле

Smp = Pe(1 - k)/n/QgJ(1 - W)/%g,

(5)

где п - электрический КПД ГУ, а Ж - влагосодержа-ние сырья, поступающего в МП.

При расчетах КПД может быть задан непосредственно или рассчитан по нормативному расходу топлива, указанному в техническом паспорте ГУ. Зависимость п от режима нагрузки аппроксимируется полиномом 2-й степени по типовой кривой расхода топлива для ДВС данного класса.

В качестве исходной формулы для расчета производительности модуля пиролиза по стационарному значению тепловой мощности нагрузки используется соотношение

PQmax = (1 - П)РЕ^

(б)

где P,

Qm

максимальное теоретическое значение

тепловой мощности, которую можно было бы снять с ГУ при полном отсутствии потерь.

В методике расчета предусмотрены различные варианты технической реализации системы утилизации тепла в зависимости от того, какие составляющие тепловых потерь ГУ утилизируются, а именно: теплота, отбираемая из контура жидкостного охлаждения, теплота выхлопных газов и теплота, выделяемая масляным радиатором. Доли этих компонентов принимаются равными, соответственно, 40%, 15% и 4% (от потребляемой мощности ДВС).

Алгоритм работы программного модуля расчета производительности МП представлен на рис. 4. В этом модуле рассчитывается требуемое количество пиролизного газа, производимого термохимическим реактором модуля пиролиза в единицу времени, и скорость загрузки сырья, соответствующую заданной температуре рабочих органов реактора, по заданной тепловой или электрической мощности ГУ.

Для расчета требуемой производительности МП используются два алгоритма, один из которых относится к силовым агрегатам на основе бензинового, а второй - на основе дизельного ДВС. При оценке требуемой скорости загрузки МП по заданной температуре рабочих органов сначала рассчитывается фракционный состав продуктов пиролиза, а затем по массовой доле пиролизных газов (ПГ) вычисляется количество сырья известной теплотворной способности, которое требуется переработать в единицу времени для обеспечения работы ГУ в заданном режиме.

Рис. 4. Алгоритм расчета производительности МП по заданной тепловой или электрической мощности ГУ Fig. 4. The algorithm for calculating the performance of MP for a given thermal or electrical power of generating plant

Ввод номинальной мощности агрегата

Ввод фактической мощности нагрузки мощности агрегата

Ввод температуры рабочих органов

Расчет потребности в пиролнзном газе

Расчет параметров эффективности (удельный раскол анергии на производство тепла и электричества, экономия ДТ)

Расчет объемов производства побочных продуктов (пкролизн&я жидкость, углеродный материал)

Рис. 5. Алгоритм расчета параметров эффективности ГУ Fig. 5. The algorithm for calculating performance parameters of generating plant

В условиях значительного (более 30%) изменения уровня нагрузки расчет МП по скорости загрузки сырья рекомендуется производить по заданной минимальной электрической или тепловой мощности ГУ. В

противном случае потребуется привлечение эффективных технических решений проблемы утилизации или хранения достаточно больших объемов ПГ.

Эффективность применения комбинированной мини-ТЭС (рис. 5) оценивается путем расчета следующих параметров: а) удельных затрат электроэнергии, потребленной нагревателями, электроприводами и контрольно-измерительной аппаратурой МП, на единицу электрической энергии, произведенной ГУ (а также на единицу утилизируемой тепловой энергии); б) экономии дизельного топлива в расчете на единицу выработанной электроэнергии (ГУ на основе дизельных ДВС).

Расчетный модуль позволяет симулировать работу ГУ в широком диапазоне электрической и тепловой нагрузки.

Входными параметрами программного модуля являются, с одной стороны, параметры, характеризующие условия работы силового агрегата (номинальная и фактическая мощность электрической нагрузки ГУ), с другой стороны, параметры, определяющие режим работы газогенерирующего модуля (температура рабочих органов, которая, в конечном счете, задает массовую долю фракций пиролиза). Таким образом, имеется возможность компьютерного моделирования интегральных показателей эффективности эксплуатации ГУ в условиях переменной нагрузки.

Кроме того, программный блок осуществляет расчет объема производства побочных энергетических продуктов переработки биомассы микроводорослей (кокса и пиролизной жидкости). Эти продукты представляют практический интерес в плане использования их в качестве энергетического сырья (например, как компонент смесевого котельного или моторного биотоплива третьего поколения).

Разработанная методика позволяет рассчитывать два взаимосвязанных технологических параметра термохимического реактора быстрого пиролиза контактно-конвейерного типа: время термохимической обработки и зазор между рабочими органами, которые определяют производительность МП (рис. 6).

Расчет производится в предположении, что толщина слоя органического материала пренебрежимо мала по сравнению с размерами конвейера в двух остальных измерениях. При этом толщина слоя к связана с требуемым значением максимального времени нагрева слоя твердого органического материала до температуры, равной температуре термического разложения его наиболее термически устойчивого органического компонента, соотношением

h = 1,4(ат)

(7)

Рис. 6. Алгоритм моделирования технологических параметров реактора Fig. 6. Algorithm that simulates the technological parameters of the reactor

где а = Х/(рс); X - коэффициент теплопроводности; р - объемная плотность; с - удельная теплоемкость.

В зависимости от практической инженерно-технологической задачи с помощью этого программного блока можно оптимизировать параметры конструкции реактора пиролиза или (в рамках конкретного конструктивного решения) проводить оптимизацию технологического режима.

Для реализации методики разработан пакет прикладных программ «Algae-CHP», структура главного меню которого представлена на рис. 7. При разработке прикладных программ использованы эмпирические и аналитические соотношения, описывающие все стадии преобразования энергии химических связей органических веществ, образующих исходную биомассу микроводорослей, в тепловую и электрическую энергию. Программный пакет включает в себя четыре основных блока. Разработанные программные средства позволяют производить компьютерное моделирование и расчет перечисленных ниже параметров, процессов и систем:

- расчет теплотворной способности исходного сырья по заданному составу (элементному, химическому, компонентному) и абсолютной влажности;

- оценку минимального времени термохимической переработки и производительности модуля пиролиза;

- определение фракционного состава продуктов пиролиза (древесной) биомассы типового состава;

- моделирование параметров конструкции и технологических режимов модуля пиролиза (расчет толщины слоя, температуры и времени переработки);

- расчет требуемой производительности модуля пиролиза по заданной электрической или тепловой мощности комбинированной мини(микро)-ТЭС;

- расчет удельных энергетических затрат на производство единицы продуктов термохимической переработки биомассы;

- расчет экономии (коэффициента замещения) дизельного топлива при работе комбинированной мини(микро)-ТЭС в различных режимах нагрузки.

Пакет прикладных программ разработан в среде программирования Delphi. Выбор данной системы обусловлен сочетанием ее функциональности и относительно небольших по объему трудозатрат при создании программного продукта, отвечающего всем современным требованиям.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

Рис. 7. Содержание главного меню программы «Algae-CHP» Fig. 7. The content of the main menu «Algae-CHP»

Система предоставляет возможность внесения последующих дополнений и изменений в созданный программный продукт, а также создания новых продуктов с использованием ранее разработанных программных модулей и форм. Для работы в среде программирования Delphi особых требований к аппаратным или программным ресурсам ПК не предъявляется. Она может быть установлена на любой персональный компьютер, работающий под самой распространенной операционной системой Windows.

Данная работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.

Список литературы

1. Росс М.Ю., Чирков В.Г., Плотников С.П. Оценка перспективности различных видов микроводорослей для производства биотоплива. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве // Труды 7-й Международной научно-технической конференции (18-19 мая 2010 г. Москва, ГНУ ВИЭСХ. ч. 4 (Возобновляемые источники энергии, местные энергоресурсы, экология), с. 312-318.

2. Fresnedo O., Serra J. Effect of nitrogen starvation on the biochemistry of Phormidium laminosum (Cyanophyceae) // J. Phycol. 1992. Vol. 28. P. 786-793.

3. Гудвилович И. Н. Влияние условий культивирования на рост и содержание фикобилипротеинов красной микроводоросли Porphyridium purpureum. (Обзор) 2010 // Экология моря. 2010. Спец. вып. 81.

4. Росс М.Ю., Огребков Д.С. Биодизельное топливо из водорослей / Под ред. д-ра хим. наук, проф. Ю.М. Щекочихина. М.: ГНУ ВИЭОХ, 2008.

5. Bridgewater T. Towards the "bio-refinery" - Fast Pyrolysis of Biomass // Renewable Energy World. 2001. Vol. 4, No. 1 (Jan.-Feb.). P. 66-83.

6. Чирков В. Г. Мини-ТЭС на пиролизном топливе // Теплоэнергетика. 2007. № 8. C. 35-39.

7. Холманский А.О., Сорокина Е.Ю. и др. Быстрый пиролиз клетчатки // Электронный журнал «Исследовано в России».

http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/123.pdf.

8. Лупачев П. Д., Филимонов А.И. Эффективность газо-поршневых электротепловых агрегатов для локального потребления сельского хозяйства // Техника в сельском хозяйстве. 2003. № 5. О. 23-25.