Гибкая энергоэффективная технология переработки торфа

Всероссийский конкурс «Молодёжные идеи и проекты, направленные на развитие
энергоэффективности и энергосбережения»
КОНКУРСНАЯ РАБОТА
Название работы:
«Гибкая энергоэффективная технология переработки торфа»
Исполнитель:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический
университет имени П. А. Соловьева»
Автор:
Михайлов Артем Сергеевич
Научный руководитель проекта:
д.т.н., профессор Пиралишвили Ш.А.
г. Ярославль, 2013
Содержание
1.
Общие положения проекта ....................................................................................................3
2.
Актуальность и социально-экономическая значимость проекта ......................................4
3.
Цели и задачи проекта ...........................................................................................................6
4.
Сроки реализации проекта ....................................................................................................7
5.
Этапы реализации проекта ....................................................................................................7
6.
Управление и ресурсное обеспечение проекта ...................................................................9
7.
Техническая карта проекта..................................................................................................10
8.
Оценка эффективности и результативности проекта .......................................................22
9.
Итоги проекта .......................................................................................................................22
10. Заключительные положения...............................................................................................23
1. Общие положения проекта
Название проекта: «Гибкая энергоэффективная технология переработки торфа».
Законодательная часть проекта
Основными федеральными нормативными актами в рамках которых осуществляется
работа над проектом являются:
 Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. N 1715-р).
 Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации.
 Распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 №1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020
г.».
 Приказ Министерства экономического развития РФ от 17 февраля 2010 г. N 61 "Об
утверждении примерного перечня мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, который может быть использован в целях разработки региональных, муниципальных программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности".
 Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. N 899 "Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации".
Их реализация направлена на повышение доли местных возобновляемых энергетических ресурсов и рациональное, обоснованное использование возобновляемой сырьевой
базы для энергоэффективного производства тепла и электричества.
Региональный компонент
В рамках регионального законодательства проект соответствует направлениям, обозначенным в Областной целевой программе «Энергосбережение и повышение энергоэффективности в Ярославской области».
По тематике проекта проведено рабочее совещание в Департаменте энергетики и регулирования тарифов Ярославской области под руководством директора департамента Шапошниковой Н.В., в ходе которого обсуждались основные положения проекта. В результате
совещания работа получила положительную оценку присутствующих экспертов, были обозначены дальнейшие направления исследований и возможные варианты сотрудничества авторов проекта и Правительства ЯО.
2. Актуальность и социально-экономическая значимость проекта
Структура топливно-энергетического комплекса РФ за последние 50 лет несколько
раз претерпела коренные изменения: до 70-х годов основную долю добываемого топлива
составлял уголь, в 70-80-е – нефть, в 90-е годы по сегодняшний день – природный газ.
Слишком высокий процент использования природного газа является одним из основных недостатков топливно-энергетического баланса России, поэтому важным направлением энергетической стратегии страны является постепенное снижение уровня использования традиционных видов топлив, переход к
альтернативным возобновляемым видам энергетического сырья и инновационным принципам
их переработки. По опыту Советской России и
стран СНГ, одним из перспективных топлив с
этой точки зрения для РФ является торф.
Россия обладает 47 процентами мировых
запасов торфа, и имеет возможность за счет него
существенно снизить проблемы местной энер-
Рисунок 1. Сравнение цен на торф и альтернативное топливо, %
Увеличению доли применения торфа в малой теплоэнергетике РФ способствует ряд
гетики и безработицы.
факторов:
1. Низкая стоимость торфа. Сравнение цен на торфяное топливо с ценами на другие
виды энергетического сырья, в пересчете на условное топливо дает следующие результаты:
торф - 100%; кузнецкий уголь - более 190%; воркутинский уголь - 130-185%; Читинский 182-211%; мазут топочный - 180-252%. Принципиально это соотношение сохраняется для всех
Европейских районов страны.
2. Высокие экологические характеристики торфа. Существенно повышает конкурентоспособность торфяного топлива его экологическая безопасность, простота утилизации торфяной золы (по сравнению с угольными шлаками),
снижение вредных выбросов в атмосферу, в
первую очередь для диоксидов, SO2, NO2, по ко-
Рисунок 2. Сравнение эмиссии
вредных вещ-в торфа и альтернативных
топлив, %
торым Россией подписана Конвенция по трансграничным загрязнениям.
Например, при замене угля сланцев и мазута на торф снижение загрязнения атмосферного воздуха выбросами оксидов серы происходит по сравнению с углем в 4…24 раза
(в зависимости от зольности и угольного бассейна), сланцем - в 9 раз, мазутом - в 6 раз,
выброс твердых взвешенных частиц в 2…19 раз по сравнению с углем и в 36 раз по сравнению со сланцем. Оставшаяся от торфа зола утилизируется как эффективное удобрение.
3. Крупномасштабные возгорания торфяных месторождений. Серьезная пожарная
ситуация, возникшая летом 2011 года в Европейской части России в связи с воспламенением торфяников, выявила тяжелое положение, в котором находится торфяная промышленность и показала необходимость возрождения отрасли для снижения риска возгорания.
Результатом невнимания к научному развитию торфоэнергетики РФ
стало сокращение его добычи с 1970
года в 70 раз, сопровождаемое пропорциональным снижением численности
торфоперерабатывающих
предприя-
тий, негативно отражаясь на экономической и пожароопасной ситуации в
стране. Несмотря на высокий энергопотенциал торфяной промышленности,
Рисунок 3. Динамика добычи торфа на
территории РФ, млн. т.у.т./год
РФ добывает менее 1% мирового объема добычи торфа для нужд энергетического комплекса. Такой дисбаланс связан в первую очередь с отсутствием эффективного метода переработки исходного сырья и научно-технической базы для его реализации.
В настоящее время в развитых странах мира большое внимание уделяется инновационным технологиям газификации твердых органических топлив, что обусловлено экологическими и эксплуатационными преимуществами газообразного топлива (повышенная
детонационная стойкость, больший диапазон концентрационных пределов воспламенения
газовоздушных смесей, отсутствие зольного и коксового остатка, нагара и др.) по сравнению с жидкими и твердыми видами топлив.
Высокий потенциал торфяной промышленности и отмеченная тенденция газификации твердых топлив обеспечивают актуальность исследований в области разработки комплексных технологий переработки торфа, позволяющих получать различные виды энергетической продукции и наиболее рационально использовать его внутреннюю химическую
энергию для производства тепла и электричества.
3. Цели и задачи проекта
Цель проекта: Разработка универсальной безотходной технологии переработки торфа для
реализации в (пригодных для тиражирования) проектах энергетических комплексов по производству тепловой и электрической энергии, мощностью от 0,1 Гкал до 0,5 Гкал.
Задачи проекта:
Предлагаемый технологический процесс условно может быть разделен на следующие этапы: газификация торфа, производство топливных (или с/х назначения) гранул, измельчение гранул и получение топливно-воздушной смеси, сжигание твердотопливной
аэросмеси в разработанном горелочном устройстве. В соответствии с такой классификацией в рамках проекта должен быть решен ряд задач:
1. Исследование возможности биологической газификации торфа (аналитические исследования и расчеты, проектирование и изготовление экспериментальных стендов, выбор
методик, проведение опытов)
2. Изучение и проработка энергоэффективной технологии получения твердого гранулированного топлива из торфа (обзорный и аналитический анализ вопроса, получение экспериментальных образцов гранул, изучение их физико-химических свойств)
3. Разработка технического устройства для энергосберегающего измельчения гранул и одновременной организации торфо-пылевой аэросмеси (расчеты, конструкторско-техническая документация, изготовление устройства, проведение опытов)
4. Разработка универсального горелочного устройства для сжигания торфяной пыли и производимого газа (или при необходимости другого газообразного топлива)
5. Проведение оценочных теплотехнические расчетов по определению необходимого объема производства газа и гранул для перспективных потребителей с заданной общей
мощностью по теплу и электричеству
6. Защита полученных результатов интеллектуальной деятельности путем их патентования в РФ и за рубежом
7. Осуществление схемной проработки технологической цепочки пилотного образца
опытно-промышленной установки с подбором площадки для ее размещения, монтажа и
запуска
8. Комплексное исследование разработанной технологии на базе производственной площадки на территории Ярославской области (внедрение пилотного проекта в процесс
производства)
4. Сроки реализации проекта
Срок реализации проекта
 до готовой технологии производства – 400 дней.
 до промышленного образца – 720 дней.
5. Этапы реализации проекта
Наиболее логичным представляется организация этапов исследования соответствующая поставленным задачам, направленная на рациональное и структурированное получение результатов исследований.
1. Обзорно-аналитический этап исследований.
 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической
литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта.
 Выбор и обоснование направления исследований, способов и средств решения поставленных задач.
 Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
2. Подготовительный теоретико-экспериментальный этап исследований.
 Исследование биологических и физико-химических характеристик вещества торфа, изучение их влияния на процессы газообразования и производства твердого топлива.
 Изучение физических, химических и биологических свойств вещества торфа до и после
его механохимической обработки.
 Выводы по результатам исследований, формирование принципов производства, выбор
технологического обеспечения
3. Опытно-конструкторский этап исследований возможности биологической газификации торфа и производства топливных гранул.
 Разработка эскизного проекта и технических требований для создания экспериментального стенда биологической газификации торфа и торфосодержащих субстратов.
 Создание экспериментального стенда для изучения биологической газификации торфа.
 Экспериментальное исследование процесса газификации на верховом, срединном и низовом образцах торфа.
 Определение химических и физических свойств полученных энергетических продуктов
(химический состав, теплотворная способность, плотность и зольность – для твердого
топлива).
4. Расчетно-экспериментальный этап исследований производства твердотопливной
пыли из торфа и возможности ее сжигания.
 Разработка эскизного проекта и технических требований для создания устройства измельчения и сепарации торфяных гранул с минимальными энергетическими затратами.
 Численное моделирование протекающих процессов в трехмерной постановке на базе
аппаратных средств ЭВМ.
 Изготовление устройства и проведение опытных исследований.
5. Расчетно-экспериментальный этап исследований, направленный на разработку горелочного устройства по сжиганию торфяной пыли.
 Исследование процессов, протекающих при зажигании и горении торфяной пыли.
 Компьютерное моделирование процессов смесеобразования и выбор форсунки для подачи топлива.
 Численное моделирование горения торфяной пыли и сопутствующих процессов, протекающих в горелочном устройстве, на базе аппаратных средств ЭВМ.
 Разработка эскизного проекта горелочного устройства на основе результатов моделирования и его изготовление.
 Проведение опытных исследований, оценка эффективности горелочного устройства.
 Разработка проектно-технической документации на горелочное устройство, включающая: сборочный чертёж, габаритный чертёж, монтажный чертёж, спецификации, чертежи деталей, технические условия, руководство по эксплуатации, паспорт.
6. Обработка, обобщение и оценка полученных результатов.
 Обобщение результатов исследований. Научное обоснование основных изученных закономерностей.
 Сопоставление результатов экспериментальных исследований с характеристиками отечественных и зарубежных аналогов.
 Защита полученных результатов интеллектуальной деятельности путем их патентования в РФ и за рубежом.
 Оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научнотехническим уровнем.
 Оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей проекта.
 Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала проекта на основании полученных результатов исследований.
6. Управление и ресурсное обеспечение проекта
Управление проекта
Научным руководителем проекта выступает доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ Пиралишвили Шота Александрович.
Шота Александрович более 20 лет является заведующим кафедрой «Общая и техническая физика» Рыбинского университета, имеет богатый административный и научный
опыт, под его руководством подготовлено 17 кандидатских и 3 докторских диссертации.
Научным консультантом проекта в сфере биохимии является доктор технических
наук, профессор, заведующий кафедрой химии, охраны труда и окружающей среды РГАТУ
имени П.А. Соловьева Степанов Евгений Геннадьевич.
Консультантом проекта в сфере администрирования и внедрения результатов проекта в производство выступает зам. директора по коммунальной инфраструктуре ОАО
«Пролетарская свобода», почетный работник ЖКХ России Колюхов Николай Александрович.
Технологическое и приборное обеспечение проекта
Кадровый состав участников проекта обладает необходимой приборной и контрольно-измерительной аппаратурой, лабораторными установками, отвечающими требованиям мирового уровня. В частности, коллектив располагает энергетическим, приборно-измерительным, вычислительным оборудованием, необходимым для проведения запланированных экспериментальных исследований.
Имеется лабораторная установка для изучения качественных показателей процесса
биологической газификации торфа.
Имеется лабораторный стенд для изучения работы трехфазного генератора электрического тока в составе современной газпоршневой установки на различных видах газообразного топлива.
Имеется приборная стойка автоматического сбора и обработки данных, предназначенная для постановки теплофизического эксперимента. Стойка обеспечивает возможность
измерения унифицированных выходных сигналов практически всех существующих на Российском и мировом рынке датчиков измерения теплофизических параметров, включенных
в государственный реестр средств измерений. Отмеченные особенности реализованы за
счет использования портативных модулей сбора данных с конфигурируемым числом и типом измерительных каналов, включающих модули измерения: тока, милливольтовых сигналов, термосопротивлений, напряжения, частоты, интервалов времени и периодов сигналов сложной формы. Приборная стойка позволяет измерять расходы жидких, газообразных
и паровых сред в диапазоне от 0,5 г/с до 1 кг/с при давлении от 0,1 до 2 МПа; температуру
потоков от -100℃ до 2000℃. Уникальность стойки заключается в возможности автоматического сбора и компьютерной обработки данных, визуализации результатов эксперимента
с использованием «виртуальной приборной панели». Многоканальная архитектура измерительных каналов обеспечивает возможность комплексного исследования процессов горения в элементах технических устройств, а также постановки многофакторного автоматизированного эксперимента.
Коллектив располагает широким спектром измерительного оборудования: газоналитическим комплексом Testo 350 XL, системой скоростной видеосъемки VideoScan, массовым кориолисовым расходомером MassFlow, многофункциональным измерителем давления, влажности, температуры, скорости Testo 925, измерителем химической активности
сред Hanna Instruments HI 9125, многоканальным анемометром постоянной температуры
Dantec Multichannel CTA, портативным ультразвуковым расходомером SLS-700P, инфракрасным термометром Optris Laser Sigth, модулями автоматического сбора и обработки данных LTR-U-1-4, датчиками давления МС-3000, МС-2000, МС-20, автоматизированной системой измерения температуры.
Экономическое обеспечение проекта
В рамках проекта выполнена работа по программе Участник молодежного научноинновационного конкурса «У.М.Н.И.К.-2011». Программа была успешно реализована, на
базе ее финансового обеспечения получен первый научно-технический задел исследований.
Дальнейшее изучение вопроса, изготовление пилотных образцов и внедрение проекта в производство требуют дополнительного инвестирования. Для полного завершения
проекта, в соответствии с составленной сметой, необходимо 3,7 млн. рублей.
7. Техническая карта проекта
Основные принципы разработанной технологии
Технология биологической переработки органической биомассы является одним из
инновационных перспективных направлений биоэнергетики, получившее широкое распространение в развитых странах Европейского Союза, США, Китае, Украине и др.
Несмотря на развитость технологии метанового брожения и широкий спектр используемого углеродсодержащего сырья (отходы животноводства, сельского хозяйства, органический мусор и др.) исследовательские мероприятия в области биологической газификации
торфа не предпринимались, отсутствуют результаты аналитической и экспериментальной
научной деятельности в рамках этого направления.
Одна из основных причин, по которой методика биологической газификации биомассы до сих пор не была реализована для переработки торфа, выявлена автором проекта
при постановке первых опытных исследований: в случае сохранения традиционной схемы
переработки биомассы при организации процесса газификации торфа, эффективность реализуемой технологии минимальна по причине малодоступности питательных веществ, содержащихся в торфе, для метановых бактерий.
В качестве решения указанной проблемы разработана безотходная технологическая
цепочка с сохранением общих принципов метаногенеза, позволяющая использовать вещество торфа в качестве субстрата реакции с высокими показателями эффективности.
Схема предлагаемой технологии изображена на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальная схема разработанной технологии
Разработанная технологическая цепочка переработки торфа, характеризуется отсутствием шлаковых, смоляных и др. трудно перерабатываемых образований, и состоит из
двух принципиальных ступеней:
- предварительная механохимическая активационная обработка торфа с целью интенсификации последующих биохимических процессов;
- производство биометана и гранулирование твердой фракции торфа.
Основными характерными особенностями технологии являются:
- Отсутствие стадии предварительного подсушивания торфа в специализированных
устройствах.
- Энергосберегающее производство твердого топлива из торфа, обеспечивающее снижение энергозатрат не менее чем в 3-5 раз по сравнению с существующими технологиями
прессования торфа под высоким давлением.
- Универсальность технологии, позволяющей в зависимости от потребности рынка
производить как топливные пеллеты, так и гранулированное высокоэффективное органическое удобрение.
Аналитическое исследование биологической газификации торфа
Эффективность разработанной технологии биологической газификации торфа оценена при помощи известных эмпирических зависимостей. Определен средний объем биогаза, производимого из одного килограмма сухого торфа, значение которого составило
около 240 литров. При осредненных характеристиках торфа содержание метана в биогазе
выявлено на уровне 62%.
Рисунок 5. Зависимость выхода биогаза от вида сырья
Качественные характеристики производимого из торфа биогаза по результатам расчета превосходят аналогичные показатели многих распространенных видов сырья для метанового сбраживания (рисунок 5).
Анализы биохимических свойств торфяного субстрата и кинетики реакций, сопутствующих производству биогаза, позволили сформировать принципы функционирования
установки, реализующей технологию метанового брожения торфа.
На их основе разработана принципиальная схема лабораторной установки (рисунок
6), выполнена чертежно-техническая документация и спроектирована ее трехмерная модель (рисунок 7).
Рисунок 6 − Принципиальная схема разработанной биогазовой установки
1  реактор предварительного сбраживания; 2  реактор дображивания субстрата; 3
 электромотор с редуктором; 4  емкость с подогревающей водой; 5  газгольдер; 6 
уловитель влаги; 7  межреакторный патрубок; 8  патрубок подвода субстрата; 9  счетчик газа; 10  подготовительная емкость подачи субстрата; 11  ведомое зубчатое колесо;
12  подшипник; 13  ведущее зубчатое колесо; 14  жидкостный насос; 15  система подогревающих труб; 16  перемешивающее устройство; 17  фекальный насос с измельчающими лопастями; 18  однорядная приводная цепь; 19  электрический нагревательный
тэн; 20  сливной патрубок; 21  система труб отвода газа
Рисунок 7  Модель разработанной установки
1  реактор предварительного сбраживания; 2  реактор дображивания;
3  система загрузки торфа; 4  газгольдер; 5  система подогреа;
6  система перемешивания.
Экспериментальное исследование биологической газификации торфа
Изучение многоуровневых процессов, реализуемых в рамках разработанной технологии, невыполнимо с точки зрения одностороннего подхода биологических преобразований.
Формирование фундаментальных понятий о протекающих реакциях и установление действующих в них взаимосвязей осуществимо лишь при комплексном исследовании всех областей процесса, включающих в себя химические превращения в субстрате, производство
биотоплива и получение тепловой энергии.
Для реализации комплексной методики опытного исследования осуществлено проектирование и изготовление экспериментального комплекса, позволяющего одноврéменно
изучать поведение характеристик субстрата, биогаза и процесса его горения на различных
температурных режимах брожения (рисунок 8).
В ходе опытов фиксируется значение и изучается взаимосвязь объемов торфа и производимого биогаза, их элементного состава, термохимических характеристик торфяного
субстрата, процессов воспламенения и горения биотоплива. Отдельно изучаются процессы
производства и горения твердого топлива: объем, теплота сгорания, зольность, содержание
вредных веществ в уходящих газах и др.
Рисунок 8. Общий вид экспериментального стенда
При проведении ряда исследований были получены результаты, обобщение которых
выполнено на графике рисунка 9.
Рисунок 9. График зависимости выхода биогаза и параметров субстрата от времени брожения
Для предварительной оценки содержания метана в биогазе осуществлялось его сжигание в горелке Бунзена. Воспламенение газа соответствует содержанию метана не менее
45%.
Анализ полученных данных, позволяет сделать следующие заключения:
1. В первые 10 дней проводимого экспериментального исследования наблюдался высокий выход газа. Производимый газ представляет собой продукты жизнедеятельности
аэробных бактерий, потребляющих кислородную массу, содержащуюся в торфе и воздухе.
В этот период времени производство метана отсутствует. Газ не воспламенялся.
2. В период с 10 по 20 день выход газа находился на нулевом уровне. Это время
соответствует производству органических кислот, из которых метановые бактерии затем
производят горючий газ.
3. В период с 20 по 45 день наблюдался стабильный выход биогаза, соответствующий расчетным значениям. Первые 12-13 дней производства удавалось осуществлять воспламенение биогаза, что соответствует относительно высокому содержанию метана. В
остальные дни зажечь биогаз удавалось. Предположительно, это обусловлено уменьшением питательных веществ в субстрате в результате жизнедеятельности бактерий и снижением доли метана в производимом газе.
4. С 45 дня наблюдается снижение выхода биогаза. К 50 дню производство биогаза
приближается к нулевому уровню.
Обобщая результаты опыта, необходимо отметить, что проведенные исследования
являются предварительными, и не могут на настоящем этапе с достоверной точностью оценить протекающие процессы. С этой целью необходимо проведение дальнейших исследований.
Экспериментальные исследования энергосберегающего производства гранул
В рамках разрабатываемой технологии предложено энергосберегающее производство
твердого топлива из торфа, обеспечивающее снижение энергозатрат не менее чем в 3-5 раз
по сравнению с существующими технологиями прессования торфа под высоким давлением.
Проведены опытные исследования, получены образцы гранулированного топлива.
Топливные гранулы по сравнению с необработанным торфом имеют ряд преимуществ:
- устойчивые размеры гранул позволяют автоматизировать подачу топлива и стабилизировать процесс сжигания, что обеспечивает повышение эффективности горелочных устройств и экономию топлива;
- гранулы имеют большую насыпную плотность и
при прочих равных условиях характеризуются меньшими транспортными затратами;
Рисунок 10. Топливные гранулы, полученные из торфа по
оригинальной технологии
- низшая теплота сгорания гранул составляет 15-18 МДж/кг, что в 1,5-2 раза больше
чем у фрезерного торфа и сравнимо с углем;
- золовый остаток при сжигании не превышает 0,5-1% от общего объема используемых гранул;
- отсутствие волокнистых включений и однородность состава позволяют при необходимости перерабатывать гранулы в пылевидное топливо для автоматизированного высокоэффективного сжигания.
Экспериментальные исследования производства электроэнергии
С целью исследования производимого биогаза в качестве топлива для производства
электрической энергии закуплен и произведен монтаж лабораторного стенда «Энергосберегающие технологии - автономная энергетическая система ДВС-СГ с МПСО».
Автономная электрическая система построена на базе двух трехфазных генераторов,
один из которых приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания работающем
на жидком топливе, а второй двигателем внутреннего сгорания работающем на газообразном топливе от газогенератора.
Рисунок 11. Лабораторный стенд «Энергосберегающие технологии автономная энергетическая система ДВС-СГ с МПСО»
Исследования в области генерации электричества к настоящему моменту не проведены. Этот этап является следующим шагом в работе над проектом.
Численное моделирование сжигания торфяной пыли и разработка горелочного
устройства
Несмотря на ряд преимуществ, пылевидное топливо на практике используется только
в котельных установках сравнительно большой мощности (не менее 25 МВт). Это связано
с высокими издержками на приготовление пылевоздушной смеси.
Для решения проблемы разработана совокупность технических устройств, обеспечивающих низкозатратное пылеприготовление, организацию топливно-воздушной смеси и ее
сжигание.
Производство пыли из торфяных гранул по разработанной технологии обеспечивает
уровень энергетических затрат на ее приготовление не превышающий 10-14 кВт·ч/т, что
соответствует 2-3 % от внутренней энергии топлива. Поэтому в перспективе использование
твердотопливной пыли может найти применение в котельных небольшой мощности.
С этой точки зрения была сделана попытка разработать горелочное устройство, небольшой мощности (от 10-100 кВт), использующее особенности вихревых закрученных течений, отличающееся простой конструкцией и позволяющей сжигать пылевидное топливо.
За прототип была выбрана вихревая горелка, разработанная Ш.А. Пиралишвили и
Р.И. Ивановым, хорошо зарекомендовавшая себя для работы на газообразном топливе (рисунок 12).
Рисунок 12. Вихревая горелка Ш.А. Пиралишвили и Р.И. Иванова [21,22]
Проведено численное моделирование аэродинамических процессов в горелочном
устройстве с учетом химических реакций.
Моделировались следующие процессы и явления: турбулентность в реагирующей
среде, горение торфа, движение частиц твёрдого топлива и лучистый теплообмен. Моделирование газовой фазы (летучие, кислород) проводилось в приближении Эйлера, а расчет
траекторий движения твердых частиц выполнен в Лагранжевой постановке.
Проведенные исследования показали возможность организации процесса сжигания
торфяной пыли в предложенном устройстве. На основании результатов расчета геометрия
горелки изменялась с учетом недостатков предыдущих моделей:
‒
увеличены объем области горения и выходное сечение устройства, что привело к
появлению области возвратных течений и зоны установившегося горения, в целом
повысив полноту сгорания топлива до 60%;
‒
выполнено перераспределение подвода окислителя до и после области горения, позволившее увеличить полноту сгорания на 18-22%%
‒
организован тангенциальный ввод воздуха в камеру смешения, обеспечивший стабильное попадание топливной пыли в зону горения и отсутствие проскоков частиц
в камеру подвода окислителя.
В конечном итоге удалось разработать вихревое горелочное устройство, полнота
сгорания твердого топлива в котором на основе результатов моделирования достигает 95%.
Результаты расчета конечного варианта горелочного устройства представлены на рисунках 13-15.
Рисунок 13. Распределение температуры в сечении горелки с двумя подводами воздуха при 𝛼 = 1,3
Рисунок 14. Распределение массовых концентраций кислорода в сечении горелки с двумя
подводами воздуха при 𝛼 = 1,3
Рисунок 15. Поле скоростей в сечении горелки при 𝛼 = 1,3
Оценка полноты сгорания в разработанном устройстве проведена для подаваемого
твердого топлива. Для выделяющегося в процессе сжигания газа проанализирована картина
концентраций газа и ее динамика.
0.00014
𝑟торф
0.00012
0.0001
0.00008
0.00006
0.00004
0.00002
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
𝑙̅
1
Рисунок 16. Объемная доля твердого топлива по длине горелочного устройства
𝑔торф
𝑙̅
Рисунок 17. Массовая доля выделяющегося горючего газа по длине горелочного устройства
Для разработанного горелочного устройства по результатам расчетов полнота сгорания твердого топлива составляет 𝜂тв = 0,94 … 0,96.
Блочно-модульный принцип организации технологии
Общей особенностью всех технологических процессов разработанной технологии является универсальность, гибкость и независимость друг от друга, что позволяет производить различные виды готовой продукции в зависимости от потребностей рынка на одном и
том же оборудовании. Такая организация реализована в блочно-модульном исполнении,
схема которого представлена на рисунке 18.
Рисунок 18. Блочно-модульная технология переработки торфа
8. Оценка эффективности и результативности проекта
Разработанная технология и реализующие ее устройства характеризуются энергоэффективностью реализуемых процессов, низкой стоимостью изготовления и простотой обслуживания.
Энергетическая и экономическая эффективность технологии обеспечивается:
 Отсутствием стадии предварительного подсушивания торфа в специализированных
устройствах при производстве газа.
 Производством твердого топлива из торфа без значительного повышения давления и
добавления склеивающих компонентов.
 Высокими значениями насыпной плотности и теплотворной способности гранул, обеспечивающими снижение удельных транспортных затрат.
 Низкозатратным пылеприготовлением и организацией топливо-воздушной смеси (уровень энергетических затрат не более 10-14 кВт·ч/тонну)
 Высокой эффективностью горелочного устройства (полнота сгорания твердого топлива
~95%) и низкой стоимостью его изготовления.
Исследования, выполнение которых удалось завершить к настоящему времени, подтвердили предположения авторов проекта и показали эффективность предлагаемой технологии.
9. Итоги проекта
В рамках проекта предложена технология переработки торфа, характеризующаяся отсутствием шлаковых, смоляных и др. трудно перерабатываемых образований, состоящая из
двух принципиальных ступеней:
- предварительная механохимическая активационная обработка торфа с целью интенсификации последующих биохимических процессов;
- производство биометана и гранулирование твердой фракции торфа.
Метод позволяет полезно использовать до 80% энергии содержащейся в топливе, а
остальные 20% расходуются на обеспечение технологии переработки.
Технология позволяет производить различные виды готовой продукции в зависимости от потребностей рынка:
- газообразное топливо (биометан);
- твердое гранулированное топливо из торфа;
- высокоэффективное гранулированное удобрение из торфа;
- тепловая энергия в виде горячей воды или пара;
- электрическая энергия.
10. Заключительные положения
Исследования, выполненные в рамках работы, позволили достичь результатов, применимых в различных сферах деятельности человека: энергетической, экологической, социально-экономической и др. Основным достижением является разработка универсального
энергоэффективного метода переработки торфа и реализующих его технических устройств.
Характерными особенностями технологии являются:
- Экологически чистое производство биогаза из торфа в процессе протекания естественных биохимических реакций.
- Сопутствующее энергосберегающее производство твердого топлива из торфа, обеспечивающее снижение энергозатрат не менее чем в 3-5 раз по сравнению с существующими
технологиями прессования торфа под высоким давлением. Низшая теплота сгорания гранул
составляет 15-18 МДж/кг, что в 1,5-2 раза больше чем у фрезерного торфа и сравнимо с
углем.
Разработана совокупность технических устройств, обеспечивающих низкозатратное
пылеприготовление, организацию топливно-воздушной смеси и ее сжигание. Характерными особенностями предложенного технического решения являются:
- высокая эффективность сжигания (полнота сгорания твердого топлива ~95%);
- малые массогабаритные характеристики (максимальный размер не более 350 мм);
- высокая автоматизация и малая инерционность процесса сжигания;
- простота конструкции, низкая стоимость производства.
Производство пыли из торфяных гранул по разработанной технологии обеспечивает
уровень энергетических затрат на ее приготовление не превышающий 10-14 кВт·ч/т, что
соответствует 2-3 % от внутренней энергии топлива.
Общей особенностью всех технологических процессов разработанной технологии является универсальность, гибкость и независимость друг от друга, что позволяет производить различные виды готовой продукции в зависимости от потребностей рынка на одном и
том же оборудовании. В сравнении с розничной ценой на энергетические ресурсы, реализуемые населению, стоимость производимой в рамках технологии продукции ниже:
- Для газообразного топлива на 40-50%;
- Для электрической энергии на 70-80%;
- Для тепловой энергии на 30-40%;
- Для гранулированного твердого топлива на 80-90%
При расчете учитывались амортизации на добычу и транспортировку торфа, обеспечение энергетических нужд процесса производства и работу обслуживающего персонала.