ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОЙ УСТАНОВКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПЕЛЛЕТ С ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ ОТ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО СЫРЬЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

УДК 62-664.2

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОЙ УСТАНОВКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПЕЛЛЕТ С ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕМ ОТ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОГО СЫРЬЯ

В.Н. Диденко, д-р техн. наук, проф., Д.А. Плотников, асп.

Ижевский Государственный Технический Университет 426000, ул. Студенческая, 7, г. Ижевск, Удмуртия, Россия тел./факс. (3412) 58-72-16, e-mail: ttech@istu.ru

В статье приведено краткое описание метода расчета установки по производству пеллет, реализующей два принципа снижения себестоимости их производства: мобильность и энергонезависимость. Метод расчета установки включает в себя следующие частные методики:

1) Расчет состава генераторного газа.

2) Расчет состава дымовых газов.

3) Расчет двигателя при работе на генераторном газе.

4) Расчет барабанной сушилки.

5) Расчет параметров сушильного агента.

6) Расчет теплообменника.

7) Расчет конструктивных параметров газогенератора.

8) Расчет горелки на генераторном газе.

9) Расчет конструктивных параметров теплообменника.

SUBSTANTIATION AND DEVELOPMENT OF AUTONOMOUS STATION FOR MANUFACTURING PELLETS WITH POWER SUPPLY FROM THE RAW MATERIAL

RECYCLED

V.N. Didenko, DSc, Prof., D.A. Plotnikov, PhD student

Izhevsk State Technical University

The paper briefly describes the method for calculating the station for manufacturing pellets that realize two principles for decreasing their production costs: mobility and power independence. The method for calculating the station comprises the following techniques: 1) Calculations of the producer gas composition; 2) Calculations of smoke gas composition; 3) Calculations of the engine during the operation on producer gas; 4) Calculations of drum drier; 5) Calculations of drying agent parameters; 6) Calculations of heat-exchanger; 7) Calculations of structural parameters of gas generator; 8) Calculations of the burner on producer gas; 9) Calculations of structural parameters of gas generator.

Валерий Николаевич Диденко

ГОУ ВПО «Ижевский Государственный Технический Университет», декан теплотехнического факультета, д-р техн. наук, профессор.

В 1973 г. с отличием закончил ИМИ (Ижевский механический институт) по специальности «Производство летательных аппаратов» с рекомендацией в аспирантуру. По распределению был оставлен работать в ИМИ в научно-исследовательской лаборатории, где проявил себя как талантливый экспериментатор. В дальнейшем работал на кафедрах «Динамика машин» и «Проектирование автоматических машин». В 1978 г. успешно защитил кандидатскую, а в 1994 г. - докторскую диссертацию. На педагогической работе с 1975 г. Прошел все ступени: от ассистента до профессора.

В настоящее время плодотворно работает в области механики жидкости и газа, строительной теплофизики, конверсионных технологий. Хорошо известен в научных кругах своими публикациями и изобретениями (более 120 публикаций и 7 изобретений). Опубликовал 23 методических разработки. В 1998 г. В.Н. Диденко присвоено почетное звание «Заслуженный деятель науки Удмуртской Республики», а в 2000 г. он избран членом-корреспондентом РАРАН. В

2002 г. В.Н. Диденко присвоено звание «Заслуженный работник Высшей школы РФ». С мая

2003 г. В.Н. Диденко является деканом ТТ факультета. В настоящее время В.Н. Диденко -председатель Ученого совета ТТ факультета и член Ученого совета ИжГТУ.

Дмитрий Анатольевич Плотников

ГОУ ВПО «Ижевский Государственный Технический Университет», аспирант.

В 2002 г. с отличием окончил ИжГТУ по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция», специализация «Теплогенерирующие установки». По результатам защиты дипломной работы Плотников Д.А. был рекомендован к поступлению в очную аспирантуру. Но по семейным обстоятельствам Плотников Д. А. выбрал сначала производственную деятельность в качестве проектировщика по системам ТГВ. В июле 2005 г. Плотников Д.А. поступил в заочную аспирантуру по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». Тема диссертационной работы «Мобильный комплекс по производству древесного гранулированного топлива с энергообеспечением от перерабатываемого сырья».

С результатами исследований по данной работе участвовал во всероссийском конкурсе инновационных проектов по направлению «Энергетика и энергосбережение» 2007 г. Также имеется 7 публикаций по результатам исследований.

Плотников Д.А. активно участвует в учебном процессе: ведет практические занятия по ряду дисциплин специальностей «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Промышленная теплоэнергетика», руководит курсовым и дипломным проектированием.

Введение

Технология гранулирования (пеллетирования) биотоплива достаточно широко применяется при его использовании в отопительных целях. Это обусловлено тем, что пеллеты имеют ряд преимуществ перед другим биотопливом (к примеру, топливной щепой, опилом или торфобрикетами). Эти преимущества делятся на две группы. Первая группа - это удобство хранения. Древесные пеллеты по причине их высокой теплотворной способности нуждаются в меньшем объеме для хранения, чем другие биогенные твердые топлива, что позволяет без особых проблем создать запас топлива для всего отопительного периода. В то же время пеллеты из-за их высокой плотности, малой реакционной поверхности и защитной влагостойкой пленки из лигнина совершенно не боятся самовоспламенения, в то время как при использовании щепы или опила самовоспламенение является большой проблемой. Вторая группа преимуществ - это транспортабельность пеллет. Пелле-ты являются нормированным по размеру и массе сыпучим топливом, что позволяет применять автоматизированные системы топливоподачи. При этом надежность данных систем сравнима с надежностью систем на дизтопливе или природном газе, в отличие от систем на щепе или опиле, которые требуют постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.

Описание установки

В номере 8 (52) за 2007 г. журнала «Альтернативная энергетика и экология» была опубликована статья «Пеллеты - древесное гранулированное топливо. Как снизить стоимость?» [1]. В ней показано, что для снижения стоимости пеллет установка по их производству должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Установка должна подвозиться к местам скопления сырья. Этим примерно в три раза сокращается объем перевозок (из соотношения насыпной плотности сырья и пеллет).

2. Энергоснабжение установки теплом и электричеством должно осуществляться от сжигания части перерабатываемого сырья.

3. Потери тепловой энергии при эксплуатации должны быть минимальными.

Склад топлива

V

Молотковая дробилка

10 Дозатор воды

Л

Газоген ератор ■

\ /

Теплоге >нератор

\ /

Бараб су im энная лка

\ /

Смеситель

/

\

Пресс-экструдер

\ /

Охла цитель

\ /

Сепа ратор

\ /

Выход конечной продукции

(Охладитель газа! 5

Газовый двигателя 8 £

[Электрогенератор | 9

Рис. 1. Структура установки Fig. 1. Station structure

Мобильность обеспечивается размещением агрегатов установки на транспортных носителях, в качестве которых, как наиболее оптимальные, приняты автомобильные шасси. Для автономного энергообеспечения установки был применен слоевой газогенератор обращенного типа. Общая структура установки по производству пеллет представлена на рис. 1 и

62

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (65) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

/..г.: I . :

включает в себя: склад топлива, газогенератор, фильтр, теплогенератор, охладитель газа, молотковую дробилку, барабанную сушилку, газовый двигатель, электрогенератор, дозатор воды, смеситель, пресс-экструдер, охладитель, сепаратор, выход конечной продукции (весы и контроль). Данная структура соответствует патенту «Установка переработки биотоплива» № 2006110067/22(010947) от 28.03.2006, (патентообладатель ГОУ ВПО «Ижевский Государственный Технический Университет», авторы В.Н. Диденко, Д. А. Плотников).

В [1] был представлен мобильный вариант реализации этой структуры с агрегатированием по шасси.

Метод расчета

Общий метод расчета установки в виде расчетного алгоритма представлен на рис. 2.

Общие описания частных методик показаны в таблицах 1-6.

Расчет состава генераторного газа

Состав генераторного газа определяется решением системы уравнений балансов топлива, теплоты и уравнения константы равновесия обратимой реакции СО+Н2О0СО2+Н2 [2].

По известному составу генераторного газа находится его теплота сгорания. Также в этом расчетном блоке определяется теплота сгорания твердого топлива (сырья), выход генераторного газа с 1 кг сырья и расход воздуха на газификацию (табл. 1).

Расчет состава генераторного газа Расчет состава дымовых газов

food: Сшгл. N.n.c.n-." /

Расчет двигателя

/Ввод данных по барабанной/ сцшилк&Та», Ttu«, D, don /

В8од данных по газгенератору /

Расчет

конструктивных

параметров

газогенератора

/Вывод рассчетных характеристик по / установке

Расчет барабанной сушилки

Расчет параметров сушильного агента

/Ввод данных ло теплообмен-/ HUKy:h',ti".h' (const)_/

Расчет

теплообменника

Расчет двупроводной

нет / Gm=G'm \ да горелки для

m / теплогенератора

Расчет

конструктивных

параметров

теплогенератора

Рис. 2. Общий алгоритм расчета Fig. 2. Calculation general algorithm

Расчет состава генераторного газа. Определение теплоты сгорания твердого топлива и генераторного газа

Calculations of the producer gas composition. Determination of the combustion value of solid fuel and producer gas

Таблица 1

Table 1

Вводимые значения Элементный состав сырья (рабочий) в % (Ср, Нр, Ор , Ар, Шр) Константа равновесия реакции СО+Н2О^СО2 +Н2 Кр

Используемые формулы 1,867СР П,2Яр 1,244^р д - СО + СО2; —-+ --= ы + Н20; 2 V V 2 2 вг в.г в.г 0,7Ор 0,622Гр —-+ —-+ 0,266^ - СО2 + 0,5(СО + Н2О) V V 2 2 2 в.г в.г Ш-(СО+СО2+Н2+Н2О) = N2; пг - 128СО + 108Н2; Кр - СО 'Н 2О ; Ч.г СО 2 ' Н 2 евр(тв. т) = 340Ср + 1260Нр - 109(Ор - ); бнр(тв. т) = 340Ср + 1035Нр - 109(Ор - ) - 25Шр; N. = 126,5СО + 127,5Н2; = 126,5СО + 107,5Н2; Ь-^.г ^ - 0.0127Г^2

Результаты Выход газа vв.г м3/кг Состав газа в % (СО, СО2, Н2, Н2О, N2) Условный КПД газогенератора г|г Теплота сгорания твердого топлива бвр(тв т), бр(тв т), кДж/кг Теплота сгорания генераторного газа ОТ, , кДж/м3 Расход воздуха на газификацию 1 кг топлива Ь, м3/кг

Расчет состава дымовых газов

Расчет двигателя

Во втором блоке по известному составу генераторного газа определяется состав и количество дымовых газов по общеизвестным формулам.

По известной теплоте сгорания генераторного газа, электрической нагрузке на технологию и по характеристикам применяемого двигателя определяется объем двигателя и расход газа на него (табл. 2).

Расчет двигателя Calculations of engine

Таблица 2 Table 2

Вводимые значения N - требуемая мощность двигателя, кВт; п - частота вращения, об/мин; е - степень сжатия, г|у - коэффициент наполнения цилиндров, Ь0 - расход воздуха на сжигание 1 м3 газа, а - коэффициент избытка воздуха

Используемые формулы 1 0,920"' П,- - 0,93(1 - 0,23); К - ' ~н4 ; р, " 0,0427М,П„ Ртр " 0,35 + 0,0005п е (1 + аь0) * 4,19 р - р,- р- - "р? 10-5'; >'п*0-06; - ^

Результаты Индикаторный КПД г|ь теплота сгорания смеси газ/воздух Ни, кДж/м3; индикаторное давление р,-, Па*10-5; давление трения ртр, Па*10-5; среднее эффективное давление ре, Па*10-5, Уь - рабочий объем цилиндров, дм3; расход газовоздушной смеси О™,,!. , м3/ч; расход генераторного газа на двигатель Сд^иг, м3/ч

Расчет барабанной сушилки

По требуемой производительности установки, влажности исходного сырья, влажности сырья, которую необходимо иметь перед пресс-гранулятором, и характеристикам применяемой барабанной сушилки определяем расход сушильного агента. Согласно [3],

Расчет барабг Calculations

при сушке топочными газами допустимо принимать параметры сушильного агента как у воздуха. После завершения всего алгоритма расчета и получения окончательного состава сушильного агента строится его I-d диаграмма, по которой производится поверочный расчет процессов сушки (табл. 3).

Таблица 3

нной сушилки

Table 3

of drum drier

Вводимые значения Опел - требуемая производительность установки, кг/ч; Wсыр - влажность исходного сырья; Твх - температура сырья на входе; Твых - температура сырья на выходе; Б - диаметр сушилки, dоп - эквивалентный диаметр измельченного сырья; напряжение барабана по испаряемой влаге А, кг/(м3-ч); расход топлива на газогенераторы От (при 1-й итерации принимается 0,4 Опел), кг/ч; рг - плотность сушильного агента при средней температуре; ртв - плотность сырья; цса - динамическая вязкость сушильного агента при средней температуре, с/м2; теплоемкости воды и сырья (опила), Дж/(кг К) - своды и сопил.

Используемые формулы ( Жсыр -12 ^ (Жсыр -12 ^ Осыр Опел + От; °Сыр - Осыр 1 + 100 ; Овл - °сыр[ ^ V / V / Ц ( Аг ^ ббс = [(Овл{свод(Твх Твых) + г} + бсы^р Сопил(Твх Твых)]/3600; Юсв - .- ; dpг V18 + 0,575>/ Аг ) где Аг - d Рт2 РгЯ ; Юдоп = 0,85^*.; ^ - 0,785ЮдопБ2; Ом = Цср

Результаты Осыр - расход сухого сырья, кг/ч; Освыр - расход влажного сырья, кг/ч; 0бс - расход тепла на барабанную сушилку, Вт; скорость уноса юсв., м/с; допустимая скорость юдоп, м/с; - расход сушильного агента, м3/с при средней температуре; Оса - расход сушильного агента, кг/с

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (65) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

Расчет сушильного агента

Из расхода сушильного агента, расхода дымовых газов после теплогенератора, расхода газов после двигателя находим расход воздуха, идущего на образование сушильного агента (табл. 4).

Расчет теплообменника

По известным расходам генераторного газа и воздуха рассчитываем теплообменник-охладитель газа (табл. 5).

Поскольку при первоначальном определении количества тепла, которое расходуется в барабанной сушилке ббс, не учитывалось тепло, которое получает воздух в теплообменнике бохл, то принимаем б бс = ббс - бохл и возвращаемся к блоку «Расчет сушильного агента».

Необходимость в последующих итерациях определяется условием

Q - Q'

г^охл ¿^ох Qохл

-•100 < 1 %

Расчет сушильного агента Calculations of drying agent

Таблица 4

Table 4

Вводимые значения ¥г - выход дымовых газов с 1 м3 газа, м3/м3

Используемые формулы V - о11 у ; уТ - —; гтг - vГТГv ; V - V - V - гтг выхлоп двиг г * Г дг Г г возд са выхлоп дг ¿¿гг

Результаты ^вымсш - расход дымовых газов от двигателя, м3/с; VГТГ - расход газа на теплогенератор, м3/с; УдТ - расход дымовых газов от теплогенератора, м3/с; Vвозд - расход воздуха на образование сушильного агента, м3/с

Таблица 5

Расчет теплообменника

Table 5

Calculations of heat-exchanger

Вводимые значения Vг - выход дымовых газов с 1 м3 газа, м3/м3; /( - температура газа на входе, К; /1" - температура воздуха на входе; К; г^ - объемные доли компонентов генераторного газа; ц - молекулярные массы компонентов генераторного газа; с, - теплоемкость компонента газа (изохорная), кДж/(кг-К); С - теплоемкость генераторного газа, кДж/(кг-К); С2 - теплоемкость воздуха; кДж/(кг-К); р,- - плотность ,-го компонента газа, кг/м3; - теплопроводность, Вт/(м'°С); п,- - коэффициент динамической вязкости, Па-С; Ох - расход генераторного газа через теплообменник, кг/с; 02 - расход воздуха через теплообменник, кг/с

Используемые формулы ч - у'ц' ; - - ВД/!; - - ВД/Г; бохл. - Д-О; С1 - ад; - 1°+/2; 2.Г Ц, 1 1 О2С2 р0 = гр р = рс(273,15/(Г + 237,15)); X' = (ХшСО + ХшСО2 + Хн2Н2 + Хн2оН2О + ХыЫ2); X'' - 1/(СО/Хш + С02Асо2 + Н2/^н2 + Н2ОАн2о + ^/ХЫ2); X = 0,5*(Х' - X'') П = 1/(Чсо/Пс + Чсо2/Псо2 + Чн2/Пн2 + Чн2о/Пн2о + Чм/Лм2); V = п/р; а - Х/(С), Рг - у/а; Яв - ым № - 0.021Яе°,8Рг0,43; ак - № \ ; А - , 1 , ; А/ - А/б -А/м ; ' ' к Г 1 +Стс + 1 ' прот. 1 А/б % Хс ак2 А/м = б Д/перек.- Д/прот.£перек; ^Гр - ^Д/

Результаты V, м2/с - кинематическая вязкость; Рг - критерий Прандтля; Яв - критерий Рейнольдса; ак - конвективный коэффициент теплоотдачи, Ш - критерий Нуссельта; Дгперек. - средний температурный напор при перекрестной схеме; ^тр м2 - площадь труб теплообменника

Iii

M

с' H

SS

Расчет конструктивных параметров газогенератора

Имея уточненный расход генераторного газа Огг = = 36000ь рассчитываем конструктивные параметры газогенератора (табл. 6).

Сравниваем расход твердого топлива, идущего на газификацию, с От - расходом сырья на собственные нужды, принятым в блоке «Расчет барабанной су-

GT - GT

шилки», по условию

GT

-100 < 1%.

В случае выполнения этого условия переходим к следующему пункту расчета.

При невыполнении принимаем От = О' и повторяем расчет с пункта «Расчет барабанной сушилки».

Расчет горелки на генераторном газе

Определяем параметры горелки типа «труба в трубе» для теплогенератора и длину факела от горелки по известному расходу газа (табл. 7).

Расчет конструктивных параметров газогенератора Calculations of structural parameters of gas generator

Таблица 6 Table 6

Вводимые значения д - напряженность горения, кг/(м2час) 1 - время между чистками зольника, час Fзол - поперечное сечение зольника, м2 у0 - насыпной вес очаговых остатков, кг/дм3 А3 - зольность топлива, %, принимается Ар

Используемые формулы О = Огг ; Б, -1^/4*10; dг - ^ ; V = шт; dф -18,8^ ; Язол -( ] Vв.г К [ V д ) г 1450 ф V ^золУ 0 J

Результаты ОТ - расход твердого топлива на газификацию, кг/ч Бк - диаметр камеры газификации, мм dг - диаметр горловины, мм ¥в - расход воздуха на газогенератор, м3/ч dф - диаметр фурм, мм Нзол - высота зольника, мм

Таблица 7

Расчет горелки на генераторном газе

Table 7

Calculations of burner on producer gas

Вводимые значения Тг, рг - температура (К) и давление (Па) газа перед горелкой Тв, рв - температура (К) и давление (Па) воздуха перед горелкой 4 - коэффициент сопротивления горелки (по газу и по воздуху)

Используемые формулы воздух - ^Гтгьа; Ю - у] 2Т0 р /(¡^7); Б - V *106/ Ю0; dт /0,785; dкор/0,785 + d2 , где dтр - наружный диаметр газовой трубы, принимаемый по таблицам, в зависимости от dг /71(1 + У0) рв Длина факела большая из 1 /d - 5,3 А—т-(1 + V —), где Та - адиабатная температура пламени, К; 7г - температура вытекающего газа, К; о - отношение числа молей реагирующих веществ к числу ( 2 ^ад7 Юг молей продуктов реакции для стехиометрической смеси. 1 / d - 20к - У

Результаты Квоздух - расход воздуха через горелку, м3/с; ю0 - ^2Т0р /(4р07) - скорость в носике (по газу и по воздуху) Б - площадь выходного сечения, мм2; dг - диаметр газового сопла, мм dкор - диаметр корпуса, мм

66

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (65) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

ISJft

Расчет конструктивных параметров теплообменника

В данном расчете определяется теплопередача в кольцевом канале теплогенератора с учетом лучистой составляющей для определения диаметров камеры сгорания, кольцевого канала и потерь тепла через внешнюю изоляцию.

Заключение

Для обоснования оптимальной производительности мобильного комплекса был произведен сравнительный анализ массовых и геометрических характеристик комплексов различной производительности и выбран комплекс производительностью 1000 кг/ч пеллет, который и был рассчитан и конструктивно проработан до стадии эскизного проекта.

На основании полученных характеристик комплекса производительностью 1000 кг/ч пеллет был произведен технико-экономический анализ использования установки, а также составлен бизнес-план. При этом себестоимость пеллет составляет 690 руб./т, а при традиционной технологии - порядка 1500-1700 руб./т.

Это позволяет сделать вывод, что предполагаемая установка является конкурентоспособной уже сегодня, при продаже пеллет в страны Европы. Также, в связи с прогнозируемым повышением цен на природный газ, очевидно, что пеллеты будут применяться в РФ, что позволяет надеяться на массовое внедрение данной технологии.

Список литературы

1. Диденко В.Н., Плотников Д.А. Пеллеты - древесное гранулированное топливо. Как снизить стоимость // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» 2007. № 8(52). С. 59-62.

2. Юдушкин Н.Г., Артамонов М.Д. Газогенераторные тракторы: теория, расчет, конструкция. М.: Машгиз, 1955.

3. Лебедев П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок (учеб. для высш. техн. учеб. заведений). М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962.

па

JJA

67