CC BY
6ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ
ПРОИЗВОДСТВА
ENVIRONMENTALLY
CONSCIOUS
FACTORIES
Статья поступила в редакцию 18.08.14. Ред. per. № 2083
The article has entered in publishing office 18.08.14. Ed. reg. No. 2083
УДК 620.9-662.6 621.1
НОВЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА БАЗЕ КРИТИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЙ
1 2 2 3 1
И.Н. Трофимец , Е.П. Евсеев , В. Ф. Бабкин , А.Л. Гусев , Ю.Н. Шалимов
воронежский государственный технический университет 394026 Россия, Воронеж, Московский пр-т, 14 тел. 8-905-053-45-73, e-mail: shalimov_yn@mail.ru 2Воронежский государственный архитектурно-строительный университет 394006 Россия, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84 3000 Научно-Технический Центр «TATA» 607183 Россия, Саров, Нижегородской обл., ул. Московская, д. 29 тел. 8-83130-6-31-07, e-mail: gusev@hydrogen.ru
Заключение совета рецензентов: 21.08.14 Заключение совета экспертов: 25.08.14 Принято к публикации: 29.08.14
В материалах статьи предложен способ автоматического регулирования и согласования нагрузок теплового и электрического генераторов. В качестве регулирующего элемента используется электрохимические системы (электролизеры, подключаемые на шины генератора в соответствии с характером изменения нагрузки теплового генератора). Такая система обеспечивает устойчивую работу тепловой электрической машины.
Ключевые слова: электрофизическая и электрохимическая обработки стоков, флотация, газогенератор, топливо для газогенерации.
NEW POWER PLANTS ON THE BASIS OF CRITICAL TECHNOLOGIES I.N. Trofimets 1, E.P. Evseev 2, V.F. Babkin 2, A.L. Gusev 3, Yu.N. Shalimov 1
1 Voronezh State Technical University 14 Moskovsky prospect, Voronezh, Russia 394026 phone: 8-905-053-45-73, e-mail: shalimov_yn@mail.ru 2 Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering 84, 20 years of October Str., Voronezh, Russia 394006 3 Scientific Technical Centre "TATA" Limited Post Box Office 683, Sarov, Nizhny Novgorod, Russia 607183 phone 8-83130-6-31-07, e-mail: gusev@hydrogen.ru
Referred: 21.08.14 Expertise: 25.08.14 Accepted: 29.08.14
The materials of the article provides a method of automatic control and coordination load thermal and electrical generators. As a regulatory element used electrochemical systems (electrolyzers, connected to the generator bus in accordance with the nature of the heat generator load changes). This system ensures stable operation of a thermal power machine.
Keywords: electrophysical and electrochemical wastewater treatment, flotation, gas generator fuel for gasification.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 16 (156) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Применение критических технологий обусловлено сложностью задачи, стоящей перед переработчиками отходов сельхозпроизводств на базе крупных свиноводческих ферм. Как правило, применение биогазовых установок в варианте, предлагаемом фирмами-изготовителями в условиях технологий гидросмыва, по меньшей мере малооправдано. Поскольку агрессивность среды, получаемой по технологическому циклу, не позволяет бактериям (мезо-филам и термофилам) осуществлять свою жизнедеятельность.
На некоторых предприятиях пытаются создать более благоприятные условия для работы этих бактерий. Однако использование в качестве элементов подкормки ценных сельхозпродуктов, таких как силосная масса или отходы сахарных производств (жом) сильно удорожает стоимость производимой электроэнергии. В конечном итоге эффективность переработки снижается в результате перехода на такие высокозатратные технологии.
Авторы данной статьи предлагают использовать более эффективные способы переработки отходов
свиноводческих комплексов, применяя некоторые технологические приемы, суть которых заключается в следующем [1]. Для получения необходимой биомассы, по своим свойствам обеспечивающей возможность работы бактерий, необходимо воспользоваться технологиями получения илов. Для обеспечения такой возможности необходимо свинные стоки смешивать с отходами ЖКХ, а также продуктами очистки воды после комбинатов мясопереработки (осадки жиров, крови и т. д.) вместо дорогостоящих продуктов сельхозпроизводства (силоса, жома). В этом случае жизнедеятельность бактерий будет обеспечена и эффективность переработки станет достаточной для нормальной работы биогазовой установки. Кроме того, для повышения эффективности барботажа отходов мы предлагаем использовать кислородную аэрацию.
Энергообеспечение установки в этом случае может быть обусловлено переработкой продуктов очистки сточных вод в газогенерирующих системах. Функциональная схема установки приведена на рисунке 1.
Неочищенные стоки
j
ШЩ 1 -t . А
Твердая фракция
Твердый остаток после фильтрации
4
V
Техническая вода
Рис. 1. Функциональная схема очистки стоков без лагун, без химических реагентов 1 - сепаратор; 2 - механические фильтры;3 - электрофизическая и электрохимическая обработки стоков; 4 - газогенератор. Fig. 1. Functional diagram of the wastewater treatment without lagoons, without chemicals 1 - separator; 2 - mechanical filters, 3 - electrophysical and electrochemical processing of waste; 4 - gasifier.
Для повышения эффективности очистки сточных вод в качестве флотирующего реагента используется электролитический водород. Механизм извлечения
органических включений из промышленных стоков представлен на рисунке 2 [2,3].
,-j Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 16 (156) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
п Г)
['i и ifi I и) viии i[;i Niiiiiii i|i ii-if111 in i и ft \ ми im
Рис. 2. Механизм флотирования частиц пузырьками водорода: а - крупный размер пузырьков; б - мелкие пузырьки Fig. 2. The mechanism of particles flotation by hydrogen blisters: a - big blisters; b - small blisters
Эффективность флотационного процесса определяется размерами пузырька водорода. Чем меньше диаметр газового пузыфька, тем меньшая по геометрическим размерам частица будет извлекаться из глубины раствора на поверхность [4].
Размер газового пузыфька водорода определяется числом центров нуклеации на поверхности катода и может определяться выфажением:
N = N0 х e
(1)
где N - число Авогадро; Е- потенциал, В; ц - перенапряжение выщеления водорода.
Из уравнения (1) следует, что чем меньше значение энергии образования зародыша, тем больше вероятность образования новых центров.
С одной стороны, энергия образования зародыша со скоростью его образования связана соотношением:
4v \лаъ
E = -4
zF\ 3kt
(2)
где к - постоянная Больцмана; г - число переходящих электронов; Е - число Фарадея; Т - температура; V - скорость движения пузыфька; а - поверхностное натяжение; т. е. энергия зародышеобразования прямо пропорциональна скорости их образования.
С другой стороны, при больших скоростях образования зародышей выфажения для скорости образования зародышей можно выразить через плотность тока:
J = ln
- e
(1-а) zF
-----г,
RT
(3)
где а - коэффициент перехода катодной и анодной реакций; ¡0 - ток обмена.
Таким образом, можно заключить, что число центров нуклеации пропорционально плотности тока. Именно по этой причине для увеличения степени дисперсности водорода следует максимально повы-
шать катодную плотность тока. Одним из способов, повышающих эффективность процессов флотирования, является использование импульсных режимов поляризации электродов.
Для увеличения степени дисперсности водорода применен импульсный метод формирования водородного пузыфька. В этом случае степень дисперсности водорода определяется плотностью поляризующего тока. А поскольку плотность поляризующего тока в условиях постояннотоковых режимов питания определяется концентрацией солеобразующих компонентов воды и не может быть по определению высокой, то её увеличение возможно лишь при использовании импульсных режимов. В условиях короткого импульса мгновенное значение плотности тока (ток в импульсе) может превышать постояннотоковый режим на 2-3 порядка. Поэтому при больших скважностях импульсного тока Q=Tuмn. т/тимп степень дисперсности может быть повышена в десятки и сотни раз.
Общий вид установки флотации представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Общий вид флотатора для очистки промышленных стоков
Fig. 3. General view of the skimmer for industrial wastewater treatment
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 16 (156) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
E
Твердофазные остатки после флотатора являются исходным материалом для приготовления топлива в системах газогенерации. Следует подчеркнуть, что флотаторы, разработанные нами, представляют собой высокоэффективные системы очистки сточных вод с
малыми энергозатратами и высокой производительностью. Средняя энергозатратность на один м3 очищенной воды лежит в пределах 60-80 Вт. На рисунке 4 даны фото образцов исходной и очищенной воды.
Рис. 4. Фото образцов исходной и очищенной воды Fig. 4. Photos of the original samples and purified water
Основным элементом, преобразующим энергию, является газогенератор, в котором производится генерация топлива, сформированного из продуктов очистки сточных вод мясокомбинатов и твердых илов, а также органических наполнителей, представляющих собой отходы деревообрабатывающей промышленности (стружки, опилки) и отходов сельскохозяйственного производства (подсолнечная лузга, стебли подсолнечника, подстилочная масса и др.). Общий вид газогенератора представлен на рисунке 5.
Зона предварительного нагрева
Рабочая зона генератора, зона генерации топлива (фурма)
Рис. 5. Общий вид газогенератора обращенного типа Fig. 5. General view of the gas generator inverted type
В зоне генерации топлива происходит образование основных компонентов горючего газа, в состав которого входят: Н2, СН4, СО, СО2 а также небольшое количество ацетилена. В зависимости от состава топлива твердой фазы соотношение углерод-водород изменяется в довольно широких пределах. На рисунке 6 представлены образцы исходного топлива для газогенерации, отличающиеся по своей теплотворной способности.
Рис. 6. Образец исходного топлива для газогенерации Fig. 6. Sample source of fuel for the gasification
На рисунке 7 представлен вид факела горелки газогенератора в процессе его работы.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 16 (156) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Рис. 7. Вид пламени горелки газогенератора Fig. 7. Form the flame of the gas generator
Основным недостатком систем управления тепловыми машинами (газогенераторы, турбины) является сложность создания систем регулирования автоматической работой таких устройств. Например, автоматическое поддержание параметров на выходе тепловой машины зависит от целого ряда факторов, изменение которых практически трудно предвидеть в ходе работы такой системы. Так, при изменении влажности топлива, поступающего на вход газогенератора, может измениться химический состав генерируемых газов, а из-за чего изменяется теплотворная способность. Главным следствием этого процесса будет переменная тепловая нагрузка работающей системы. Это означает, что на выходе тепловой машины изменяется её тепловая мощность. Если тепловая машина работает на турбину, то вследствие
этого будут изменяться обороты рабочего колеса турбины. Поэтому находящийся на одном валу с турбиной электрогенератор будет также изменять выходные параметры нагрузки, а именно: частоту вращения, величину напряжения и тока.
Для создания надежной системы регулирования выходных параметров тепловой и электрической машин, нами предложена универсальная система регулирования, позволяющая осуществить адекватную реакцию электрического генератора на изменение выходной мощности теплового генератора. В качестве такой системы нами предлагается использовать электрохимические преобразователи энергии в роли регуляторов электрической нагрузки.
Функциональная схема такой системы представлена на рисунке 8.
Рис. 8. Функциональная схема регулирования соотношения тепловой и электрической нагрузок Fig. 8. Functional diagram of controlling the ratio of thermal and electrical loads
Как говорилось ранее, при работе газогенератора тепловой режим может изменяться под воздействием различных факторов: например, вследствие измене-
ния исходной влажности подаваемого в рабочую зону генератора топлива, а также из-за неравномерной подачи топлива или зависания отдельных фраг-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 16 (156) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
ментов между внешней и наружной оболочками системы подачи.
В результате этого количество выделяемого тепла будет уменьшаться и, как следствие, произойдет изменение количества вырабатываемого и подаваемого пара на рабочее колесо турбины. Такое изменение приведет к снижению напряжения и соответственно уменьшению тока на электрогенераторе. Традиционные системы регулирования не позволяют осуществить качественную регулировку выходных параметров электрогенератора. Поэтому нами предложен вариант, позволяющий отключать или подключать эквивалентные электрохимические нагрузки, находящиеся в системе потребителей электрогенератора. Коммутирующее устройство, работающее в режиме оптимизации нагрузки электрогенератора, при снижении тепловой нагрузки паровой машины автоматически отключает необходимый эквивалент нагрузки электрического генератора. То есть выводит из режима потребления одну или несколько ячеек электрохимического преобразователя. Таким образом, в новом положении генератор будет вырабатывать на потребление несколько меньший ток при постоянном напряжении на его клеммах и постоянной частоте вращения турбины. При устранении зависания топлива или другой причины, вызывающей изменение режима теплового генератора, количество вырабатываемого им пара увеличивается, что должно привести к увеличению числа оборотов и выходного напряжения генератора. Однако система регулирования в этом случае подключает дополнительные ячейки электрохимических преобразователей, и тем самым обеспечивает устойчивую работу тепловой и электрической машин в заданном режиме.
Электродная система электрохимического преобразователя представляет собой активную нагрузку в виде двух электродов: анода и катода, активная поверхность которых изменяется в зависимости от параметра рассогласования тепловой и электрической нагрузок. Так, если электрическая нагрузка перестала потреблять определенную мощность, то вместо неё на клеммы электрического генератора подключается нагрузка эквивалентного электрохимического преобразователя. Таким образом сохраняется постоянство или условие тождественности тепловой и электрической нагрузок.
Избыток электрической мощности в этом случае затрачивается на производство водорода в качестве гидридного топлива и кислорода, используемого для технологических нужд (система дожига топлива в газогенераторе).
Протекающие процессы на катоде можно описать следующими уравнениями.
Катод: Н3О+- Н2О^Н+ (процесс дегидратации).
Ионы водорода взаимодействуют по 2 типам реакций:
1) образование гидрида Н0 + Ме0-
>НМе;
2) Н + е z Н0, Н0 + Н0 zH2.
Свободный водород поступает в рабочую зону газогенератора, и гидридное топливо запасается в виде электродного материала. Системы такого типа позволяют их исполызоваты в непрерывном режиме, постоянно поддерживая систему тепловой генератор/электрогенератор в режиме автоматического регулирования.
Список литературы
1 Бабкин В.Ф., Евсеев Е.П., Захаров П.Д., Шалимов Ю.Н., Яценко В.Н., Трофимец И.Н. Утилизация органических отходов в энергосберегающих технологиях // Алытернативная энергетика и экология. 2014. №2(142). С. 117-122.
2 Шалимов Ю.Н., Койфман О.И., Теруков Е.И., Литвинов Ю.В, Гусев A.A., Батаронов И.Л., Парфе-нюк В.И., Лутовац М., Тириченко Ю.С., Шалимов Д.Л., Токарева И.А., Павлов A.C., Трофимец И.Н., Голодяев A. И. Водород в системах традиционной и алытернативной энергетики. Алытернативная энергетика и экология. 2013. №05 (125). С. 10-44.
3 Шалимов Ю.Н., Юрыев С.В. Технология очистки воды электролитическим водородом. Защитные и специалыные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении: сборник статей VIII Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011.92 с.
4 Ролдугин В. И. Физикохимия поверхности. Долгопрудный: «Интеллект», 2008.
References
1 Babkin V.F., Evseev E.P., Zaharov P.D., Shalimov Yu.N., Äcenko V.N., Trofimets I.N. Utilizacia organiceskih othodov v energosberegaüsih tehnologiah. Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2014, no 2 (142), p. 117-122.
2 Shalimov Yu.N., Kojfman O.I., Terukov E.I., Litvinov Ü.V, Gusev A.A., Bataronov I.L., Parfenük V.I., Lutovac M., Tiricenko Ü.S., Shalimov D.L., Tokareva I.A., Pavlov A.S., Trofimets I.N., Golodaev A.I. Vodorod v sistemah tradicionnoj i al'ternativnoj energetiki. Al'ternativnaa energetika i ekologia. 2013, no 05 (125), p. 10-44.
3 Shalimov Yu.N., Ür'ev S.V. Tehnologia ocistki vody elektroliticeskim vodorodom. Zasitnye i special'nye pokrytia, obrabotka poverhnosti v masinostroenii i priborostroenii: sbornik statej VIII Vserossijskoj naucno-prakticeskoj konferencii. Penza: Privolzskij Dom znanij, 2011,92 p.
4 Roldugin V. I. Fizikohimia poverhnosti. Dolgoprudnyj: «Intellekt», 2008.
Транслитерация по ISO 9:1995
,-j Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 16 (156) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
