Автореферат: Обоснование и разработка автономной установки для производства пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья

УДК 62.932.2 + 621.001.63

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Обоснование и разработка автономной установки для производства пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья

Специальность: 05.02.13

«Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)»

кандидата технических наук

Плотников Дмитрий Анатольевич

Ижевск 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет

Научный руководитель: доктор техн. наук, профессор Диденко Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор техн. наук, профессор Филькин Николай Михайлович

канд. техн. наук, доцент Сергеев Алексей Александрович

Ведущая организация: Институт прикладной механики УрО РАН, г.Ижевск

Защита состоится «17» октября 2008 г в ____на заседании диссертационного совета Д212.065.03 при ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет,

426069, г. Ижевск, Студенческая 7, тел. (341-2) 58-88-46 в конференц-зале отдела аспирантуры и магистратуры (7й корпус)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИжГТУ

Автореферат разослан «____» сентября 2008

Ученый секретарь

диссертационного совета: доктор техн. наук, профессор

Турыгин Юрий Васильевич

пеллета тепловой электрический древесный

Общая характеристика работы

Актуальность. В связи с истощением запасов ископаемых топлив, во всем мире ведутся исследования по использованию биотоплива. Для отопительных целей одним из перспективных является древесное гранулированное топливо - пеллеты. Несмотря на массу достоинств, пеллеты пока еще недостаточно распространены в России. Из-за ряда особенностей технологии их производства, цена на пеллеты еще достаточно высока, для того чтобы они могли конкурировать с традиционными нефтью и газом. Решению данной проблемы посвящена данная работа.

Объект исследования

Машины и агрегаты для производства древесного гранулированного топлива (пеллет)

Цель диссертационной работы

Обоснование и разработка автономной установки по производству пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья

Задачи

· Исследовать современное состояние вопроса по разработке установок для переработки отходов лесной, торфодобывающей промышленности, и сельского хозяйства, провести технико-экономический анализ технологии производства пеллет и обосновать основные принципы снижения стоимости производства пеллет

· Разработать общую структуру и принципиальную технологическую схему установки по производству пеллет, предусматривающую размещение агрегатов на автомобильном шасси, с энергоблоком для выработки тепловой и электрической энергии от перерабатываемого древесного топлива. Обосновать оптимальную производительность установки.

· Разработать метод расчета установки.

· Обосновать принятые конструктивные решения агрегатов установки и оценить экономическую эффективность принятого решения мобильной установки для производства пеллет с автономным энергообеспечением.

Методы исследований

в работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на известных теоретических положениях физико-химических основ горения, механики жидкостей и газов, математического моделирования и деталей машин.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, корректностью использованных математических методов, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, а также успешным опытом использованием отдельных агрегатов установки в промышленной эксплуатации. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на изобретение

На защиту выносятся:

· Результаты анализа современного состояния вопроса по разработке установок для переработки в топливо отходов лесной, торфодобывающей промышленности, и сельского хозяйства, результаты технико-экономического анализа технологии производства пеллет, с целью поиска основных принципов снижения стоимости их производства

· Разработанные общая структура и принципиальная технологическая схема установки для производства пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья, а также результаты обоснования оптимальной производительности предлагаемой установки

· Разработанный метод расчета установки.

· Конструктивные решения агрегатов установки для производства пеллет мобильного базирования с автономным энергообеспечением от перерабатываемого сырья и технико-экономическая оценка ее эффективности.

Научная новизна

Автором предложена усовершенствованная технология производства пеллет, отличающаяся тем, что обеспечение технологического процесса теплотой и электроэнергией осуществляется за счет газификации части перерабатываемого сырья, с последующим сжиганием получившегося генераторного газа в газовом двигателе и теплогенераторе, с получением электрической и тепловой энергии соответственно.

Автором разработан метод расчета предлагаемой установки для производства пелет.

Практическая полезность

Разработанная и запатентованная мобильная установка по производству пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья позволяет решить проблему переработки биомассы в отрыве от транспортной и энергетической инфраструктуры.

Предложенный метод расчета установки позволяет производить подбор оборудования с высокой степенью точности, что значительно снижает финансовые и временные затраты на проектирование и отработку установки.

Реализация результатов

Результаты работы были использованы в фундаментальной НИР № ТП 7-08 «Исследование процессов тепломассообмена при переработке биомассы в альтернативные виды топлива” в ГОУ ВПО “Ижевский Государственный технический университет”

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

· Всероссийская конференция инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», 26-29 сентября 2006г г.Томск (почетный диплом )

· Научно-техническая конференция «Проблемы энерго-ресурсосбережения» ИжГТУ, Ижевск, 20 апреля 2007 г.

· V Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов «Российским инноваторам - российский капитал», Пермь, 25-26 апреля 2007 г.

· Научно-практическая конференция «Региональные аспекты реформы энергетики» Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ) 27 февраля 2008 года.

· Научно-техническая конференция “Проблемы энерго-,ресурсосбережения и охраны окружающей среды” ИжГТУ , Ижевск, 22-23 мая 2008

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 9 научных работах (4 из списка рекомендованных ВАК, в том числе в одном авторское свидетельстве).

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка, включающего 102 наименования. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит 27 рисунков, 10 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность рассматриваемой темы, сформулированы объект и методы исследования, определены цель и задача научной работы.

В первой главе приведен аналитический обзор современного состояния работ по созданию установок для переработки отходов лесной, торфодобывающей промышленности, и сельского хозяйства. Показано, что пеллетирование (гранулирование) является наиболее прогрессивным способом переработки горючей биомассы в топливо для отопительных целей. Приведен технико-экономический анализ технологии производства пеллет. Рассмотрены проблемы транспортировки исходного сырья и конечной продукции, а также методы обеспечения технологии энергоносителями. В результате поиска путей снижения стоимости производства пеллет сделан вывод: установка по производству пеллет должна быть мобильной и иметь автономное энергообеспечение.

Рисунок 1. Затраты на производство пеллет при традиционной технологии.

В случае обеспечения данных принципов минимизируются следующие затраты (рис.1):

а) На сырье. Стоимость исходного сырья зависит от близости к инфраструктуре, причем основная часть стоимости - это затраты на транспортировку. При использовании мобильной установки с автономным энергоснабжением возможна работа с сырьем минимальной стоимости (удаленные лесопилки, рубки ухода), при этом затраты на транспортировку сырья практически отсутствуют.

б) На сушку (наиболее затратный по теплоте процесс).

в) На дробление, пеллетирование, охлаждение (потребители электроэнергии).

Очевидно, что реализовав два вышеуказанных принципа (мобильность и энергоавтономность установки), возможно значительно снизить общую стоимость производства пеллет

Во второй главе приведены результаты реализации данных принципов. Мобильность обеспечивается размещением агрегатов установки на транспортных носителях, в качестве которых, как наиболее оптимальные, приняты автомобильные шасси. Для автономного энергообеспечения установки выбран слоевой газогенератор обращенного типа. Проведено исследование современного состояния вопроса проектирования и производства газогенераторов.

Общая структура установки по производству пеллет представлена на рис.2, и включает в себя: газогенератор, фильтр, теплогенератор, охладитель газа, молотковую дробилку, барабанную сушилка, газовый двигатель, электрогенератор, дозатор воды, смеситель, пресс-экструдер, охладитель, сепаратор, выход конечной продукции (весы и контроль). Данная структура соответствует патенту №55774 «Установка переработки биотоплива» от 28.03.2006 , (патентообладатель ГОУ ВПО «Ижевский Государственный Технический Университет», авторы В.Н.Диденко, Д.А. Плотников).

Рисунок2. Структура установки.

Мобильным вариантом реализации этой структуры с агрегатированием по шасси является схема установки, представленная на рисунке 3.

Перерабатываемое сырье (тонкомер, горбыль, порубочные остатки) подается в рубильную машину, расположенную на шасси №1. Полученная щепа поступает на молотковую дробилку и далее в барабанную сушилку (шасси №2), где подсушивается до влажности 10-12%. После чего подает в блок прессования - шасси №5. Здесь в циклоне древесная мука отделяется от сушильного агента. Далее древесная масса подается на пресс-гранулятор, где гранулируется. Готовые гранулы, имеющие высокую температуру, попадают на транспортер-охладитель (нория), охлаждаются, и после упаковываются в пакеты. Часть сырья, в количестве примерно 30%, отбираемая после барабанной сушилки и подающаяся на газогенераторы, служит для выработки тепловой и электрической энергии. В энергоблоке (шасси №4) происходит газификация топлива, охлаждение и очистка полученного генераторного газа, а также его сжигание в газовом двигателе с получением электрической энергии. Полученный генераторный газ содержит две основные горючие части - окись углерода СО и водород H2, а также балласт в виде N₂,СО₂, Н₂О. Из-за применения сырья с большим выходом смолистых веществ, был применен слоевой газогенератор, с обращеным процессом.

Рисунок №3. Принципиальная схема установки мобильного базирования с автономным энегоообеспечением от перерабатываемого сырья

газификации, газогенератор. Он позволяет получать генераторный газ, не загрязненный смолистыми веществами, что благоприятно сказывается на надежности работы двигателя. После газогенератора газ охлаждается в кожухотрубном теплообменнике, служащим также гравитационным осадителем. При этом охлаждающей средой является воздух. После теплообменника газ фильтруется на сетчатых фильтрах, и дымососом подается на сжигание в газовый двигатель и на горелку теплогенератора (шасси №4).

В установке применены следующие энергосберегающие решения:

а)газ выходящий с газогенератора имеет высокую температуру, порядка 400 С. Для стабильной работы газового двигателя он охлаждается в теплообменнике до 30 °C.. При этом воздух, забравший теплоту, является одним из компонентов сушильного агента.

б)охлаждение камеры сгорания теплогенератора осуществляется воздухом, проходящим через кольцевой канал вокруг камеры сгорания, при этом подогретый воздух используется как один из компонентов сушильного агента

в)выхлоп, образующийся после газового двигателя, имеет высокую температуру, и поэтому применяется как один из компонентов сушильного агента.

В третьей главе излагается разработанный метод расчета установки в виде расчетного алгоритма, а также частные методики по расчету отдельных агрегатов установки.

Укрупненный алгоритм расчета в виде блок схемы представлен на рисунке 4

Описание частных методик дано в блоках 1-9 алгоритма расчета.

Блок 1. Расчет состава генераторного газа

Состав генераторного газа определяется решением системы уравнений балансов топлива, теплоты и уравнения константы равновесия обратимой реакции СО+Н₂ОСО₂+Н_2. По известному составу генераторного газа находится его теплота сгорания. Также в этом расчетом блоке определяется теплота сгорания твердого топлива (сырья), выход генераторного газа с 1 кг сырья и расход воздуха на газификацию.

Рисунок 4. Общий алгоритм расчета

Таблица№1 Расчет состава генераторного газа. Определение теплоты сгорания твердого топлива и генераторного газа