CC BY
6
УДК 004.942:636.6+620.953:662.761 DOI 10.51794/27132064-2022-3-78
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗИФИКАЦИИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА
Б.Г. Зиганшин, доктор технических наук, профессор
И.Х. Гайфуллин, кандидат технических наук
ФГБОУ ВО Казанский ГАУ
E-mail: zigan66@mail.ru
Н.Н. Фахреев, ст. преподаватель
ФГБОУ ВО Казанский ГЭУ
E-mail: fakhreevnn@yandex.ru
Аннотация. Для моделирования процессов термического разложения в газификационной установке принимается модель термодинамического равновесия. Система уравнений, описывающих химическое равновесие для газовой фазы, состоит из нелинейных алгебраических уравнений в логарифмической форме: закона действующих масс; уравнений сохранения вещества; уравнения, устанавливающего равенство парциальных давлений и числа молей веществ в продуктах разложения, а также - равенство давления смеси и суммарного числа молей веществ. С целью проверки результатов численных исследований и адекватности математической модели проводились экспериментальные исследования. Эксперименты проводились по следующей разработанной программе, которая включала: 1. Определение содержания горючих компонентов в синтез-газе при различных температурах в газификационной камере; 2. Определение влияния температуры на выход синтез-газа; 3. Определение качества синтез-газа при подаче альтернативного газифицирующего агента - пара; 4. Определение сечения форсунки для подачи газифицирующего агента. Исследования сопровождались лабораторными измерениями с привлечением аккредитованной лаборатории. Для проверки адекватности эксперименты проводились в двукратной повторно-сти. В результате проведения экспериментов и сопоставления с расчетными данными выявилось, что математическая модель адекватно описывает процессы, протекающие в газификационной камере установки. Также подтверждены теоретические предпосылки получения высококалорийного синтез-газа с применением водяного пара в качестве газифицирующего агента.
Ключевые слова: птицеводческий отход, термическое разложение, синтез-газ, математическое моделирование, экспериментальные исследования.
Введение. Качество выпускаемой продукции птицеводческой отрасли агропромышленного комплекса непосредственно связано с качеством энергоресурсов и их бесперебойностью. Так, например, в частных, так называемых фермерских, хозяйствах по разведению сельскохозяйственной птицы специфична схема электроснабжения: один ввод с распределением электроэнергии на отопление, освещение, вентиляцию и раздачу корма. А также птицеводческие предприятия являются источником значительного негативного воздействия на компоненты окружающей среды [1]. Подстилочный помет принято использовать в качестве органического удобрения после предварительной его подготовки в буртах и при наличии до-
статочных сельскохозяйственных угодий для внесения всего образующегося отхода. Резервирование электроэнергии для обеспечения бесперебойного энергоснабжения и утилизации ежесуточно образующихся отходов является важной задачей перед птицеводческим предприятием. Перспективным решением является термическая утилизация отходов с образованием топливного газа для поршневых электрогенераторов [2].
Для поршневых электрогенераторов необходимо высококалорийное топливо, которое можно получить путем газификации уг-леродсодержащих отходов птицеводства. Процессы газификации отходов птицеводства рассматривались в различных работах отечественных и зарубежных авторов [4-12].
Одним из основных методов осуществления процесса гзификации является псевдо-ожиженный слой [3]. Газификация в псевдо-ожиженном слое протекает путем продувки окислителя через слой засыпанного в реактор кварцевого песка и углеродсодержащего отхода. При этом поддерживается температура в районе 700°С. Окислителем при данном способе газификации является воздух.
Преимуществом данного способа является простота конструкции. Теплотворная способность при этом способе утилизации отходов достигает 3000 кДж/кг. Опираясь на преимущества газификационной установки, определили вектор поиска и набор объема информации по данному направлению. Исследовались аналогичные решения по термической утилизации отходов птицеводства с получением топливного синтез-газа.
Аналогом организации процесса газификации в псевдоожиженном слое является установка [6], но отличительной особенностью данной установки является процесс газификации в более широком диапазоне температур, а также в реакциях учитывается сконденсированный углерод. Сконденсированный углерод, не учтенный в материалах источника [4], является составной частью зольного остатка и требует тщательного изучения на возможность его извлечения в топливный синтез-газ; тем самым научные интересы определяются в области изучения процессов газификации отходов птицеводства с получением высококалорийного синтез-газа для собственных нужд птицефабрики с учетом сконденсированной фазы.
К недостаткам изученных технологий в первом случае относится необходимость топлива для поддержания горения в камере газификационной установки, а во втором случае - образование азотистых соединений в синтез-газе в результате осуществления
реакции /г^ификацщ21Хо^ом
что приводит к низкой- экологичности технологий как источников эмисии оксидов
азота5Та§м,обр аз%, Нд^ЕЮ
ся математическое исследование- процесса термического разложения подстилочного помета в реакторе газификационной уста-
новки и экспериментальное подтверждение теоретических предпосылок.
Объекты и методы. Объектом исследования выбрано расположенное в г. Тетюши Республики Татарстан крестьянское (фермерское) хозяйство «Чербаев М.В.» по выращиванию сельскохозяйственной птицы размером 5000 голов, на котором образуется до 840 т подстилочного помета в год. Отход загружается в прицепы и вывозится с территории птичника для дальнейшей утилизации.
Для изучения процесса газификации и выявления наилучших режимных и конструктивных параметров необходимо провести моделирование с применением современных программных комплексов и создать опытную установку для проведения экспериментов и верификации результатов с расчетными данными.
В математической модели с применением программного комплекса Ма1ЬаЬ принимается, что поступающие реагенты перемешиваются с уже находящимися в локальной зоне компонентами мгновенно, и химическое взаимодействие подчиняется основным положениям химической кинетики - закону действующих масс. При этом происходящие в реакторе превращения проходят в виде независимых друг от друга элементарных реакций. Механизм химического взаимодействия представлен совокупностью элементарных химических реакций, описанных ранее в работе [5]. Вывод уравнений изменения состава газовой смеси представлен в [6], а приведенная здесь запись уравнений отличается раздельным представлением составляющих для химических реакций и для массо-обменных процессов:
dri/d* = -exP(V)dfcY<ß=^xp+Rofz^gjS + -IXPR-7/
Sqz - eXP( -
:>-R0Tz /pz - Я - exp(-V)
(1)
где
z
П = (рх /адг ехр(-Xпу);/ = 1,...,П&МяЪЪг^Мя-Ф ,т
X пуГ1); .1 = 1,..., пг; ъ1, # = п;х = 1,...
, п.
Уравнение (1), описывающее изменение концентрации компонента, имеющего наибольшую концентрацию, дополняется уравнением нормировки X ехр(-у} ) = 1
7
Выражение, определяющее суммарную скорость подвода /-го вещества, вносимого потоками газовой смеси из других граничащих реакторов или внешней среды (газифицирующего агента) (/-й источник), имеет вид, моль/см3с:
$+ = Х г / / )10-3 (2)
]
Вывод уравнений изменения массы и энтальпии реагирующей газовой смеси основан на законе сохранения массы и первом законе термодинамики для открытых систем с переменными массой и объемом. При записи уравнения изменения массы газовой смеси в реакторе х используется схема массообмен-ных процессов (рис. 1).
Следует пояснить обозначения потоков массы в приведенной схеме.
г+1, г,т г ,г+1
5 5
- массовые расходы газовой смеси, характеризующие массообмен реактора х с другими реакторами и внешней средой. Индекс "5" обозначает все другие внешние объекты (кроме реакторов х-1 и х+1, граничащих с реактором х);
Е™5V ,5 • г-1,г -г,г-1 • г+1,г - г,г+1 т■ , X т,- , т,- , т■ , т■ т,
1 ■ 1 ■ 1 ~ 1 ~ 1 1
55
- массовые расходы индивидуального вещества /, вызванные межфазовыми переходами
- ,г-1 -г+1,г - г,г+1 и диффузией; т, , т, т, - массовые расходы дисперсной фазы в реактор х и из него, соответственно.
В соответствии с принятой схемой уравнения изменения массы газовой смеси Мг для каждого реактора имеют вид:
dMх / dх = X т+,х + X (т+,х - т-х)+Ах - т2 (3)
/ к
где Xх =™5,х + т +-1,Л ++1,х + Ах- ком-
плекс, учитывающий особенности массооб-мена реактора х с другими реакторами и внешними объектами при подводе индивидуальных компонентов г
I
1
Рис. 1. Схема массообменных процессов
z—1, z z+1, z
m,
4 = Z (Z m — Z
s
m z = Z m
s, z I ,„„z —1, zz +1, z
+ m ■ m ■
z, s z, z —1 z, z +1
m■ — m- —mi
i i is
z, s + m z, z—1 + m z, z+1
— Z m s — m
s
(4)
(5)
, z —1 z, z +1
t ——m—
hzVz —Z H
onrz
/ Z cpnr2 = 0 (9)
Вывод уравнения изменения энтальпии газовой смеси в реакторе 2 основан на первом законе термодинамики. Для открытой системы переменной массы и объема уравнение сохранения энергии записывается в виде:
Соотношение (9) получено на основе формулы для вычисления энтальпии смеси. При выполнении расчетов с использованием уравнения (9) значения энтальпии компонентов смеси аппроксимируются на небольшом интервале температур, равном 100 К, линейными зависимостями при условии (Ton - 100) < Tz < (Ton + 100).
В итоге кинетическая многореакторная модель представлена системой уравнений
d(Mui4/>/díZZmj+zZ m— zh))(7H9). Система уравнений является отк-
J i
pdz'z dti^mdQp dB)+Bz
рытой для ее дополнения другими уравнениями, описывающими изменение каких-либо параметров вследствие процессов, характерных для конкретных схем организации горения. Например, при необходимости учета изменения давления в процессе горения, ко-
m,
z +1, z h^z + 1
(6)
где Bz - комплекс, учитывающий потоки энергии, внесенные и вынесенные из реактора с потоками индивидуальных компонентов
В: = Е (Е т¡, + т2:-1, ^-1 + т■ +1, ^ +1 -Е порЩ согласно^ питйн+ойгзыше физической ] k э схеме можно принять одинаковым для нес-
кольких реакторов (р2=р), в математическую модель включается алгебраическое уравнение для расчета давления газовой смеси:
Xz,s 7 z . z,z—1т z . z,z+1 7 z
mi h + m h- + m h-
(7)
После несложных преобразований уравнения (6) с использованием уравнения изменения массы (3) и дифференциальной формы выражения, определяющего изменение удельной энергии газовой смеси duz/dт = dhz/dz - d(pzVz/Mz)/dт, получено уравнение изменения удельной массовой энтальпии газовой смеси в реакторе г:
Р
dhz /dr = ¡Zmj,z(hj — hz) + ZÍ
Е м / Е V: / RzTz = 0 00)
V г У V г У
В конечном итоге базовая система представляет собой комплексную модель для определения неизвестных X: = [у 1г,М:,И:,Т:,р] в каждом реакторе. Для решения уравнений применяется неявный конечно-разностный
т+ (Щ+- Щ ^^ТП1- V - Щ , ■ ,:пользованием м
Результаты и их обсуждение. Математическая модель реализована в программный
щй+рвд*^ относительно со-
с последующим ис-
+У.Г. ода Ньютона [6].
', z (hi
} / M
_(dpz /d*)} / m
i«gmzmj
. i V j Cz+С(+%Ш1/<М)} / M
(8)
где С: = В: - А:И:
В работе приняты тепловые граничные условия 3 рода. Температура рабочего тела влияет на его термодинамические и тепло-физические свойства и на скорость химических реакций. Для определения температуры смеси в реакторе г может быть принято уравнение:
става исходных реагентов и продуктов сгорания и механизма химических реакций. После тестирования, верификации моделей и сравнения результатов с известными экспериментальными данными [7] был сделан вывод о вполне приемлемой точности прогнозирования основных энергетических и экологических характеристик газификационной установки для термического разложения уг-леродсодержащих отходов. При любом выбранном методе газификации образуется
V
к
к
зольный остаток, который не учитывается в дальнейших реакциях. Косов В.Ф. и его соавторы предлагают использовать дополнительный пар для повышения энергоэффективности газификационной установки [10].
По проведенным расчетам при удельном расходе водяного пара 0,223 кг/кг ожидается, что зольный остаток снизится до 0,005 кг/кг.
Паровая газификация была смоделирована путем увеличения содержания влаги в исходном материале. При содержании влаги 22% по массе зольный остаток снизился до 0,043 кг/кг, подтверждая предположения Косова В.Ф. и его единомышленников о повышении энергоэффективности газификации при добавлении водяного пара.
На рисунке 2 представлены результаты конечного продукта газификации, полученного при добавлении водяного пара.
60 50 40 30 20 10 0
И-г
800 900 1000 1100 1200 1300
----н2 - • -со
а)
СН!
ь, К
70 60 50 40 30 20 10 0
800 900 1000 1100 1200 1300
--НН — • -со
б)
■сн|
К
Рис. 2. Содержание веществ в продуктах газификации ПП (г1 - мольные доли, численно равные объемным долям): а) без добавления водяного пара; б) при добавлении водяного пара в объеме 40 масс.%
На рисунках 2 а) и 2 б) визуализированы результаты математического моделирования процесса газификации с применением пара в качестве газифицирующего агента. На рисунке 2б наблюдается стремление к нулю значений по метану, что обуславливается реакцией парового риформинга; как следствие - больший выход водорода и монооксида углерода, которые являются более калорийными, чем метан:
СН4 + Н2О = СО + 3Н2. (11)
Для обоснования проведенных расчетов сконструирована экспериментальная гази-фикационная установка. Искомыми параметрами при моделировании реальной камеры газификационной установки и определения геометрических характеристик других основных узлов установки приняты числа молей веществ (молекулярных и атомарных) и число молей топлива (рис. 3). Инновацион-ность данной установки подтверждена патентом РФ на изобретение № 2 754 911.
Рис. 3. Газификационная установка: 1 - термопара; 2 - мультиметр; 3 - выходной штуцер; 4 - пробоотборное отверстие; 5 - факел; 6 - загрузочный люк; 7 - корпус парового газогенератора; 8 - конденсатор; 9 - парогенератор; 10 - манометр; 11 - регулятор нагревателя
0
г
Газификационная установка (рис. 3) работает в периодическом режиме, который включает загрузку, работу и выгрузку зольного остатка. Непрерывность процесса по выработке синтез-газа обеспечивается присоединением газгольдера к линии подачи, что позволяет, в свою очередь, обеспечивать потребителя топливом в непрерывном режиме. На данном образце экспериментальной установки с применением отходов птицеводства проведены результаты серии экспериментов и сопоставление с расчетными данными с доверительным интервалом 5% (рис. 4).
S2 SO
>
vo48 .
146
.
ш
X
а
|44
е
о 42 С
690 ---СО
79O B9O
-СО расчеты
а)
99O lO9O Температура, К
47
ю
.
„42
X
а
е et
С
ние выработанного синтез-газа позволит снизить расход природного топлива.
Таблица. Структура энергетического баланса
Источник кДжIкг % Потребитель кДжIкг %
Газифика- ционная установка 10 S00 i3,0S Парогенератор S5,3 0,21
Электрогенератор 4i 2S0 50,00 Газификаци-онная установка 41 2S0 99,79
Природное топливо 30 4S0 3б,92
Итого S2 5б0 100 Итого 41 3б5,3 100
32
790 890 990 1090 -Н2 расчеты ТемпеРатУРа, К
б)
Рис. 4. График сопоставления расчетных и экспериментальных данных для СО (а) и Н2 (б)
Результаты серии экспериментов, проведенных с применением пара в качестве газифицирующего агента, показывают высокое соответствие с теоретическими математическими расчетами. Структура энергетического баланса разработанной установки приведена в таблице. В структуру энергетического баланса включен расход природного газа для выработки электрической энергии. Добавле-
В состав синтез-газа включены такие примеси, как H2S, CO2, H2O и в незначительной степени N2 (0,4; 7,75; 0,27; 0,4% объема соответственно). При этом стоит отметить низкое содержание N2, которое достигается при исключении из реакции воздуха как газифицирующего агента.
Выводы. Эксперименты, проведенные на экспериментальной установке, позволили сделать вывод об адекватности математической модели. Теплотворная способность исходного сырья находится в диапазоне 70009000 кДж/кг сырья, а теплотворная способность синтез-газа после газификации с применением пара в качестве газифицирующего агента с учетом всех потерь достигала 12000 кДж/кг, что конкурентоспособно с природными ископаемыми топливами для использования на электрогенераторах с выработкой электрической энергии для резервирования или полного самообеспечения птицефабрики.
Литература:
1. Бартновский С.П. Антропогенное воздействие на окружающую среду промышленного птицеводства // Экология южной Сибири и сопредельных территорий. 2015. Вып. 19, Т. 1. С. 135.
2. Расчет теплового баланса и обоснование параметров малогабаритной биогазовой установки с мезо-фильным сбраживанием субстрата / Зиганшин Б.Г. и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2016. № 3. С. 63-67.
3. Влияние температуры нагрева субстрата на видовой состав микрофлоры биогазовых установок / Гайфул-лин И. и др. // Фундаментальная наука и технологии -перспективные разработки. Чарльстон, 2016. С. 82-86.
4. Katsaros G. Low temperature gasification of poultry litter in a lab - scale fluidizedreactor // Energy Procedia. 2019. № 161. Р. 57-65.
5. The use of the Mephosphon drug to accelerate the process of biogas output and ripening of organic wastes / Z. Khaliullina etc. // Bio web of conferences. 2020. Vol. 27. Р. 00127.
6. Taupe N.C. Updraft gasification of poultry litter at farm scale A case study // Waste Manage. 2016. № 50. Р. 324.
7. Демин А.В. Математическое моделирование процессов термической утилизации углеродсодержащих отходов // Новые технологии, материалы и оборудование в энергетике. Казань, 2018. Т. 3. С. 210-227.
8. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология / В.Г. Крюков и др. М., 1997. 304 с.
9. Гарзанов А.Л. Производство энергоресурсов и минеральных удобрений из органических отходов птицеводства // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 2. С. 213-223.
10. Kosov V.F., Lavrenov V.A. Simulation of a process for the two-stage thermal conversion of biomass into the synthesis gas // J. of Physics. 2015. № 653(1). 012031.
11. Пат. 150764 РФ. Биореактор периодического действия для анаэробного сбраживания органических отходов / И.Р. Нафиков и др. Заяв. 20.05.14; Опубл. 27.02.15.
12. Разработка конструкции измельчителя-смесителя кормов / Б.Г. Зиганшин и др. // Современные достижения аграрной науки. Казань, 2021. С. 121-126.
Literatura:
1. Bartnovskij S.P. Antropogennoe vozdejstvie na okru-zhayushchuyu sredu promyshlennogo pticevodstva // Ekologiya yuzhnoj Sibiri i sopredel'nyh territorij. 2015. Vyp. 19, T. 1. S. 135.
2. Raschet teplovogo balansa i obosnovanie parametrov malogabaritnoj biogazovoj ustanovki s mezofil'nym sbra-
zhivaniem substrata / Ziganshin B.G. i dr. // Vestnik Ka-zanskogo GAU. 2016. № 3. S. 63-67.
3. Vliyanie temperatuy nagreva substrata na vidovoj sos-tav mikroflory biogazovyh ustanovok / Gajfullin I. i dr. // Fundamental'naya nauka i tekhnologii - perspektivnye razrabotki. CHarl'ston, 2016. S. 82-86.
4. Katsaros G. Low temperature gasification of poultry litter in a lab - scale fluidizedreactor // Energy Procedia. 2019. № 161. R. 57-65.
5. The use of the Mephosphon drug to accelerate the process of biogas output and ripening of organic wastes / Z. Khaliullina etc. // Bio web of conferences. 2020. Vol. 27. R. 00127.
6. Taupe N.C. Updraft gasification of poultry litter at farm scale A case study // Waste Manage. 2016. № 50. R. 324.
7. Demin A.V. Matematicheskoe modelirovanie proces-sov termicheskoj utilizacii uglerodsoderzhashchih otho-dov // Novye tekhnologii, materialy i oborudovanie v energetike. Kazan', 2018. T. 3. S. 210-227.
8. Gorenie i techenie v agregatah energoustanovok: modelirovanie, energetika, ekologiya / V.G. Kryukov i dr. M., 1997. 304 s.
9. Garzanov A.L. Proizvodstvo energoresursov i miner-al'nyh udobrenij iz organicheskih othodov pticevodstva // Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. № 2. S. 213-223.
10. Kosov V.F., Lavrenov V.A. Simulation of a process for the two-stage thermal conversion of biomass into the synthesis gas // J. of Physics. 2015. № 653(1). 012031.
11. Pat. 150764 RF. Bioreaktor periodicheskogo dejstviya dlya anaerobnogo sbrazhivaniya organicheskih othodov / I.R. Nafikov i dr. Zayav. 20.05.14; Opubl. 27.02.15.
12. Razrabotka konstrukcii izmel'chitelya-smesitelya kor-mov / B.G. Ziganshin i dr. // Sovremennye dostizheniya agrarnoj nauki. Kazan', 2021. S. 121-126.
MATHEMATICAL MODELING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF POULTRY WASTE'S GASIFICATION B.G. Ziganshin, doctor of technical sciences, professor I.H. Gayfullin, candidate of technical sciences FGBOU VO Kazan GAU N.N. Fakhreev, senior lecturer FGBOU VO Kazan GEU
Abstract. To modulate the thermal decomposition's processes in a gasification installation, a model of thermodyna-mic equilibrium is adopted. The system of equations describing gas phase's chemical equilibrium consists of nonline-ar algebraic equations in logarithmic form: acting masses law; matter conservation equations; equation of partial pressures and the number of substances' moles in decomposition products' equality, as well as the mixture's pressure and the total number of substances moles' sum equality. In order to verify the numerical studies and mathematical model results' adequacy, the experimental studies were conducted. The experiments according to the following developed program, which included: 1. Determination of combustible components' content in the synthesis -gas at different temperatures in the gasification chamber; 2. determination of the temperature effects in synthesis-gas output; 3. Determination the synthesis-gas quality at an alternative gasifying agent-steam supplying; 4. Determination of the nozzle section for the gasifying agent's supplying were carried out. This research by lab measurements with an involvement of accredited laboratory was accompanied. To check the adequacy, the experiments twice were carried out. As the experiments' result and it comparison with the calculated data, it was revealed that the mathematical model describes adequately the occurring processes in the gasification chamber of the installation. The theoretical prerequisites for high calorie synthesis-gas obtaining by water vapor as a gasifying agent have also been confirmed. Keywords: poultry waste, thermal decomposition, synthesis-gas, mathematical modeling, experimental studies.
