Казань, Республика Татарстан, Россия
Россия
УДК 662.761 Генераторный газ (воздушный газ)
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 (диссоциации); 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. Для проверки результатов численных исследований и адекватности математической модели проводились экспериментальные исследования. Ключевой целью работы состояла в разработки конструкции газификационной установки с такими параметрами который обеспечивал бы переработку всего образующегося отхода в кратчайшие сроки, к которым относятся: объем газификационной установки, количество секций установки, так как газификационная установка работает в периодическом режиме. Для решения поставленной цели необходимо подходит с этапа математических расчетов необходимых геометрических характеристик основных узлов и элементов газификационной установки. Газификационная установка работает в периодическом режиме. От момента загрузки сырья до выгрузки залы проходит 1 час, а в период перезагрузки в работу включается вторая параллельно работающая установка. В процессе работы необходимо соблюдения режима работы по двум основным параметрам: количество подаваемого пара должно составлять 0,230 кг/кг водяного пара к загружаемому сырью; температура в объеме установки поддерживается на уровне 1273К. К основным конструктивным решениям по которым необходимо провести предварительные расчеты для обоснования их конструкции являются объем газификационной установки, размеры паровой форсунки и геометрические характеристики плужков. Расчет объема газификационной установки служит для обоснования количества секций данной установки исходя из количества сырья необходимого утилизировать так как установка работает в периодическом режиме.
газификация, птицеводство, конструкция, основные элементы, конструкционные решения
Введение. При разработке новых газификационных установок основной научно-технической проблемой является повышение степени конверсии биомассы в горючие газообразные продукты. Основная цель газификации – получение смеси горючих газов (оксид углерода (CO), водород (H2), метан (CH) и др.). Тепловая энергия, необходимая для газификации исходного сырья, чаще всего получается при сжигании части биомассы при подводе предварительно нагретого воздуха в количестве существенно меньшего стехиометрического. В этом случае в продуктах газификации присутствуют такие продукты горения, как углекислый газ (CO2), вода (H2O) и молекулярный азот (N2). При повышении концентрации азота (N2) существенно снижается удельная теплота сгорания синтез-газа. При последующем сжигании синтез-газа возрастают выбросы оксидов азота (NOх) [1,2,3]. Решением данной проблемы является исключение из реакции газификации воздуха и замена на более экологический водяной пар. Принятые решения по повышению конверсии биомассы в горючий синтез-газ обосновывается осуществлением в объеме газификационной установки изместных реакций конверсии водяного газа и реакции разложения монооксида азота на атомарный азот. Проведенные расчеты подтверждают данную теорию. Осуществлению данных реакций требуется установка обеспечивающая заданные режимы работы и особенно важно герметичность установки для исключения присосов воздуха. К режимам работы можно отнести количество подаваемого газифицирующего агента в объем газификационной камеры и скорости вращения вала смесителя. Конструкционные особенности данных узлов требует предварительного математического моделирования и обоснования [4,5,6]. Для решения данной задачи в работе нами рассматривается методика расчета конструкционных элементов разработанной газификационной установки с паровой газификацией [7,8].
Целью работы является разработка математического аппарата расчета элементов конструкции газификационной установки, обеспечивающий точные геометрические характеристики и режимные параметры при конструировании реальной газификационной установки.
Условия, материалы и методы. В настоящей работе при обосновании конструкции и процессов применялись численные и экспериментальные исследования на основе опытно-лабораторных испытаний на базе кафедры «Инженерная экология и безопасность труда» Казанского государственного энергетического университета совместно с эколого-химической лабораторией, аккредитованной в Росаккредитации Минэкономразвития.
Исключить высокое содержание азота (N2) из продуктов газификации в синтез-газе можно, применяя в качестве газифицирующего агента высокотемпературный водяной пар, так как в водяном паре отсутствует азот (N2), присущий воздуху и воздушной газификации.
При водяной конверсии благодаря паровой газификации происходит следующая реакция:
CO + H2O → CO2+ H2. (1)
При паровой газификации наблюдается снижение концентрации такого вредного для окружающей среды соединения, как оксид азота (NO). Следующая реакция разложения монооксида азота на атомарный азот обосновывает экологичность предлагаемой установки [1, 7]:
2NO+2CO → N2+2CO2. (2)
При воздушной газификации, кроме азота в воздухе, азот также содержится в отходах птицеводства. Он является балластом при определении теплоты сгорания.
Осуществление данных реакции 1 и 2 имеет перспективы внедрения. Основными газифицирующими агентами установок в которых протекают данные и реакции преимущественно являются воздух и выхлопные газы, в которых присутствуют нежелательные для окружающей среды компоненты и соединения оксидов азота (NO). В работе [9] отмечается повышение калорийности синтез-газа благодаря добавлению водяного пара, но при этом температура процесса и концентрации основных составляющих синтез-газа в газификационной камере варьируется в широком диапазоне. В связи с этим требуется разработка новой газификационной установки для выработки синтез-газа, за счёт которой будет возможно повысить качество синтезируемого газа и снизить влажность путём термической конверсии молекул воды в высококалорийный синтез-газ и предложить оптимальные режимы для стабильной работы установки с высокими показателями по энергетическим и экологическим показателям.
Сложный комплекс протекающих в газификационных установках аэротермохимических процессов характеризуются наличием в рабочих объёмах многофазного тела с широким диапазоном изменения температур (от сотен до нескольких тысяч градусов), химических превращений, изменения параметров состояния рабочего тела на фоне внутрифазного и межфазного тепло- и массообмена и сложной аэродинамической картиной движения рабочего тела и т.д. Данные характеристики и определяют в конечном итоге энергетические и экологические характеристики установки.
Для обоснования применения процесса газификации по утилизации отходов птицеводства предлагается проведения по этапное проведение исследований. В первую очередь тредуется спрогнозировать процесс газификации учитывающий реакции (1), (2) [10,11].
Одним из путей прогнозирования процесса газификации в таком сложном комплексе процессов является метод математического моделирования [12,13,14].
В конечном счёте базовая система представляет собой комплексную модель для определения неизвестных Xz = [γiz, Mz, hz, Tz, p] (концентрация, масса, энтальпия, температура, давление).
Составив математическую модель процессов термического разложения отходов птицеводства можно смоделировать процессы, протекающие в объеме газификационной установки и вычислить температуры при которых будет максимальный выход энергоносителя (синтез-газа) [15,16].
В модели приняты тепловые граничные условия 3-го рода. Температура рабочего тела влияет на его термодинамические и теплофизические свойства и на скорость химических реакций [17].
Если обоснование реакций (1), (2) осуществляется математическим путем, то на втором этапе требуется сконструировать газификационную установку в которой будут осуществлять данные реакции синтеза.
Предлагается следующая методика расчета и обоснования конструкции газификационной установки.
Исходные данные принимаются для птицеводческого предприятия поголовьем 5000 голов птицы [18,19].
Объём образования подстилочного помёта ‒ 3,5 т/сут.
Производительность установки по результатам теоретических и экспериментальных исследований составляет 5 кг/ч. Среднее время выдержки 1 загрузки ‒ 1 ч.
Для дальнейших расчетов задаемся двумя условиями [20,21]:
1. Расход подстилочного помета рассчитывается из того соображения, что утилизировать весь объём образующегося помёта необходимо, не нарушая требований экологического законодательства о сроках хранения для дальнейшей утилизации, который составляет 11 месяцев.
2. При эксплуатации газификационной установки предусмотрена планомерная, в течение 11 месяцев, утилизация всего объёма образованных отходов. Одним из важных показателей для обеспечения данного условия является режим работы: производительность (5 кг/ч), которая была принята в качестве основного.
Результаты и обсуждение. В первую очередь необходимо рассчитать объём газификационной установки который вычисляется по формуле исходя из плотности помёта:
= 0,01 м3. (3)
Соответствующие габаритные размеры диаметра и высоты рассчитаны следующим образом.
Высота установки рассчитывается по формуле [22]:
. (4)
Высота установки составляет 1,27 м.
Площадь поверхности газификационной установки рассчитывается по формуле:
, (5)
где D ‒ диаметр газификационной камеры, м.
В результате расчёта получаем необходимую площадь газификационной камеры, равную 0,207 м2.
Неизвестными в данной системе уравнений являются диаметр и высота установки, которые подбираются путём изменения отношений .
Следующим конструктивным элементом являются форсунки, которые должны обеспечивать непрерывную подачу водяного пара и предотвращение закупоривания форсунок. Таким образом, количество подаваемого водяного пара и характер шлакообразования неразрывно связаны между собой [9].
Как было установлено на практике, дополнительным преимуществом при выборе конструкции форсунки является предотвращение закупоривания отверстий форсунки при ее эксплуатации.
Среди изученных способов подачи газифицирующего агента в камеру газификации наибольшее предпочтение отдается форсункам расположенных выше днища газификационной камеры. Предлагаемая конструкция форсунки представлена на (рис. 1).
Рисунок 1 – Паровая форсунка
Количество отверстий и их размеры можно определить методом скоростей. Этот способ подходит, если известен объёмный (м³/ч) или массовый расход пара (кг/ч). Основная формула для расчёта любых трубопроводов:
(6)
где Q − объёмный расход пара, воздуха или воды, м³/ч;
D − диаметр трубопровода, м;
v − допустимая скорость потока, м/с.
На практике расчёт всегда ведётся по расходу (м³/ч) и по диаметру трубопровода (м). Если известен только массовый расход, то для пересчёта кг/ч в м³/ч необходимо учитывать удельный объём по таблице пара. При этом уделяется особое внимание подставляемым значениям – объёмный расход насыщенного и перегретого пара при пересчёте будет разным (при его одинаковом количестве и давлении). Соответственно, и диаметры трубопроводов будут различаться. После всех преобразований для расчёта диаметра трубопровода пара будет справедлива следующая формула:
(7)
где Q – объёмный расход пара, м³/ч;
D – искомый диаметр паропровода, мм;
v − рекомендуемая скорость потока, м/с.
Во избежание комкования и для равномерного распределения температур в объёме газификационной установки предполагается механизировать процесс газификации с помощью мешалок.
Целью перемешивания является получение однородной смеси, а также интенсификация процессов тепло-массообмена как физического, так и в сочетании с химическими реакциями [10].
Число оборотов вала смесителя определяется по формуле:
(8)
где G – весовая ёмкость газификационной установки,
(9)
где – объёмная масса загруженного сырья, т/м3;
Vк ‒ ёмкости одной загрузки.
Передаточные отношения редуктора рассчитываются по формуле:
, (10)
где – число оборотов вала, мин-1;
‒ число оборотов вала.
Мощность двигателя смесителя определяется по формуле:
(11)
где Ку – коэффициент установочной мощности (задаётся равным 1,2);
К – расчётный параметр, зависящий от свойств загруженного сырья:
, (12)
– угловая скорость вращения вала, которая определяется по формуле:
, (13)
– геометрический параметр лопаток (рис. 2);
Рисунок 2 − Геометрические параметры плужков
(14)
где h – ширина горизонтальной проекции плужков, м;
(15)
где – КПД привода (задаёмся 0,9);
b – ширина плужков (0,1 − 0,3 м).
Далее по расчётным значениям мощности подбираются необходимые на привод смесителя типоразмер и мощность двигателя.
По рассчитанной методике нами разработана кинематическая схема привода смесителя (рис. 3).
Рисунок 3 ‒ Кинематическая схема привода смесителя
1 – электродвигатель; 2 – муфта; 3 – ременная передача; 4 – двусторонний радиально-упорный подшипник качения; 5 – корпус газификационной установки; 6 – плужки; 7 – вал.
Вал 7 с раположенными на нём плужками 6 приводится в движение электродвигателем 1, соединённым через муфту 2, и регулятором скорости вращения – ременной передачей 3. В корпус газификационной установки 5 вал вмонитирован через подшипник 4. Направление вращения вала происходит по часовой стрелке.
Для удобства представления математического аппарата (модели) расчета конструкции и основных узлов газификационной установки нами разработа блок-схема расчета (рис.4) [11,12].
|
Модуль 1: модель расчёта конструкции газификационной установки |
|
Вычисляем tобщ, zр,
|
|
|
|
Ширина
Высота
|
|
Объём камеры |
|
Модуль 2: модель расчёта смесителя |
|
Весовая ёмкость |
|
Число оборотов |
|
|
|
|
|
Угловая скорость вращения вала
|
|
|
|
Крутящий момент на валу |
|
|
|
|
|
Расчётный момент
|
|
|
|
Передаточное отношение редуктора
|
|
Окружное усилие или сила, изгибающая вал
|
|
Наибольший изгибающий момент, действующий на вал
|
|
Мощности двигателя
|
|
Диаметр вала смесителя
|
Рисунок 4 ‒ Математический аппарат выбора конструктивных параметров газификационной установки
Предлагаемый математический аппарат (рис. 4) при задании исходного объема сырья необходимого к переработке возможно рассчитать и подобрать необходимый типоразмер газификационной установки для птицеводческого предприятия любой производительности.
Выводы. Разработана конструктивно-технологическая схема и изготовлена газификационная установка, новизна технического решения которой защищена патентом на изобретение № 2754911 [23]. На основе теоретических расчётов обоснованы основные конструктивно-технологические параметры установки: высота ‒ 0,7 м, диаметр ‒ 0,1 м, вес без загрузки ‒ 50 кг. При этом благодаря смешивающему устройству поддерживается равномерное распределение температуры и измельчение спекающихся агломератов в корпусе газификационной установки. Объем газификационной установки для проведения лабораторных исследований составила 0,01м3, обороты вала смесителя служащего для интенсификации тепломассообмена и разрушения крупных агломератов составила 60 об/мин. Форсунки выбранные из соображений обеспечения оптимального количества пара подаваемого в объем газификационной камеры составляет 4 форсунки диаметром 3 мм. Получаемая после газификации и извлечение из сырья полезной энергии на выходе так же образуется зола пригодная в качестве удобрения с высоким содержанием фосфора и калия. Анализ использования золы показал, что полученная зола содержит оксид калия (К2О) – 15,5%, оксид фосфора (Р2О5) – 23,9%, оксид кальция (СаО) – 17%. Патогенная микрофлора при этом полностью уничтожается. Количество полученной золе достигает 20% от объёма сырья.
1. Демин А.В. Оценка экологичности и эффективности процессов газификации биомассы / А.В. Демин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2021. − № 1 (79). − С. 40-50.
2. Pandey S. Poultry Litter Gasification in a Fluidized Bed Reactor: Effects of Gasifying Agent and Limestone Addition / D. S. Pandey, M. Kwapinska, A. Gómez-Barea [et al.] // Energy & Fuels. - 2016. - Vol. 30. - P. 3085 - 3096.
3. Galindo A. L. Biomass Gasification on a Downdraft Gasifier with a Two-Stage Air Supply: Effect of Operating Conditions on Gas Quality / A. L. Galindo, E. S. Lora, R. V. Andrade [et al.] // Biomass and Bioenergy. - 2014. - Vol. 61. - P. 236 - 244.
4. Ibyatov, R. I. Mathematical modeling of the grain trajectory in the workspace of the sheller with rotating decks / R. I. Ibyatov, A. V. Dmitriev, B. G. Ziganshin [et al.] // International Scientific-Practical Conference “Agriculture and Food Security: Technology, Innovation, Markets, Human Resources” (FIES 2019). Vol. 17. - Kazan: EDP Sciences, 2020. - P. 00093. - DOIhttps://doi.org/10.1051/bioconf/20201700093.
5. Sabirov, R.F. Influence of physical factors on viability of microorganisms for plant protection / R. Sabirov, A. R. Valiev, L. Karimova [et al.] // Engineering for Rural Development.Vol. 18. - Jelgava: 2019. - P. 555-562. - DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N211.
6. Khaliullin, D.T. Theoretical justification of design and technological parameters of hulling machine main working bodies / D. Khaliullin, I. Badretdinov, I. Naficov, R. Lukmanov // Engineering for Rural Development. - Virtual, Jelgava, 2021. - P. 1501-1506. - DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev.2021.20.TF321.
7. Demin A.V. Thermo−chemical equilibrium modeling and simulation of biomass gasification / A.V. Demin, R.YaDyganova., N.N. Fakhreev // International Conference on duction and Processing (ICEPP−2020), E3S Web of Conferences. 2020. - Vol. 161, 01081. - P.1-3.
8. Демчук С.В. Пат. 9767 Республика Беларусь, МПК F23G5/27 C10J3/00 C02F11/10 Способ газификации органических отходов или низкокалорийного топлива / Демчук, С.В., Скоромник, О.Д.; патентообладатель Демчук Сергей Всеволодович, Скоромник Олег Дмитриевич. - а 20040607; заявл. 01.04.2004; опубл. 28.02.2006.
9. Токарев Г.Г. Газогенераторные автомобили / Г.Г. Токарев. - М.: Машгиз, 1955. - 207 с.
10. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками / Ф. Стренк. - Польша: 1971. - 384 с. Пер. с польск. под ред. Щупляка И.А. - Л.: Химия, 1975. - 384 с.
11. Фахреев Н.Н. Экспериментальные исследования процесса утилизации подстилочного помета птицы методом термического разложения с применением паровой газификации / Н.Н. Фахреев //Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2020.− № 10(192). − С. 133−137.
12. Зиганшин Б.Г. Математическое моделирование и экспериментальные исследования газификации отходов птицеводства / Б.Г. Зиганшин, И.Х. Гайфуллин, Н.Н. Фахреев // Техника и технологии в животноводстве. − 2022. − № 3 (47). − С. 78−84.
13. Алемасов В.Е. Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.С. Черенков.- М.: Химия, 2000. - 520 с.
14. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология / В.Г. Крюков, В.И. Наумов, А.В. Демин, А.Л. Абдуллин, Т.В. Тринос. − М.: «Янус−К», 1997. - 304 с.
15. Демин А.В. Математическое моделирование процессов термической утилизации углеродсодержащих отходов: монография «Новые технологии, материалы и оборудование в энергетике» / А.В. Демин, Р.Я. Дыганова Н.Н. Фахреев. - Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2018. - Т. 3. - С. 210-227.
16. Единый реестр субъектов малого и среднего предпринимательства Федеральной налоговой службы Российской Федерации [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://ofd.nalog.ru/index.html]
17. Фахреев Н.Н. Оценка эффективности внедрения перспективных способов утилизации отходов АПК методом термической деструкции / Н.Н. Фахреев // Энергоресурсоэффективность и энергосбережение в Республике Татарстан. Труды XVI Международного симпозиума «Энергоресурсо-эффективность и энергосбережение». Казань: Издательство: ИП Шайхутдинов А.И., 2016. − С. 304−307.
18. Рудаков, А. И. Повышение энергетической эффективности сублимационной сушки сельскохозяйственных материалов / А. И. Рудаков, И. Р. Нафиков, Б. Л. Иванов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2007. - Т. 2. - № 2(6). - С. 101-105.
19. Ганиев А.С. Использование удобрений из куриного помета для выращивания органической продукции / А.С. Ганиев, Ф.С. Сибагатуллин, Б.Г. Зиганшин, З.М. Халиуллина, И.Х. Гайфуллин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2022. - Т. 17. № 1 (65). - С. 9-14.
20. Гайфуллин И.Х. Влияние препарата мефосфон на эффективность процесса получения биогаза и утилизации углеродсодержащих отходов / И.Х. Гайфуллин, З.М. Халиуллина, Б.Г. Зиганшин, Ю.Х. Шогенов, Э.А. Галлямов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021. Т. 16. № 3 (63). С. 19-26.
21. Юнусов, Г. С. Теоретические исследования катка для малогабаритной почвообрабатывающей машины / Г. С. Юнусов, Н. Н. Андержанова, А. В. Алешкин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16. - № 2(62). - С. 80-85. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-80-85.
22. Халиуллин, Д. Т. Исследование движения зерна в конфузоре пневмомеханического обрушивателя семян подсолнечника / Д. Т. Халиуллин, Э. Г. Нуруллин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2010. - Т. 5. - № 4(18). - С. 122-124.
23. Дыганова Р.Я. Пат. 2754911 Российская Федерация, МПК C10J3/20 F23G5/27 B09B3/00 Установка для газификации углеродсодержащих отходов / Дыганова Р.Я., Демин А.В., Фахреев Н.Н; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный энергетический университет». - 2021104704; заявл. 11.11.2020; опубл. 09.09.2021.
