Разработка и исследование автоматизированной установки пиролиза растительного сырья с целью повышения выхода топливного газа

Постоянный рост себестоимости жизнедеятельности общества является одним из основных следствий непрерывного роста цен на энергоносителинеотъемлемой составляющей всей жизнедеятельности. Причины роста цен на энергоносители:

— Выработка существующих месторождений и усложнение процесса добычи ([1 — 5]).

— Разведка, разработка, обустройство новых месторождений и непрерывно удаляющаяся от жилых территорий прокладка нефте-, газопроводов ([6]).

— Все более сложные условия обустройства и эксплуатации новых месторождений и магистралей ([6]).

— Реновация элементов энергосистем.

— Непрерывный рост населения и связанное с этим потребление энергии, обустройство и эксплуатация сетей и увеличение потерь в сетях.

— Непрерывный рост промышленного производства и связанное с этим потребление энергии.

— Непрерывный рост транспорта и связи.

— Непрерывный рост частоты и силы природных катаклизмов ([7]).

— Возрастающие требования экологии ([8−13]).

— Возрастающие риски террора.

Эти и другие причины определяют непрерывный рост себестоимости энергоресурсов.

По данным Мирового Энергетического Совета ([1],[2]), а также ряда других организаций и исследователей ([3],[4],[5]), сопоставление ежегодной добычи и потребления нефти и газа с их мировым запасом позволяет сделать вывод, что мировой запас нефти и газа будет израсходован еще до середины нашего века.

В связи с этими причинами возрастает проблема энергоэффективности существующих и разрабатываемых технологий энергогенерации и энергопотребления ([14−17]).

Существующие сегодня технологии энер го генерации: ветровой, волновой, приливной, солнечной, электрохимической, геотермальной не могут служить альтернативной заменой традиционным источникам энергии в связи с их низким КПД и неуниверсальностью применения.

АЭС опасны для жизнедеятельности, и запасы топлива для них ограничены, и будут израсходованы в 20−30-х годах текущего века. Предлагаемая добыча и транспортировка изотопа гелия-3 с Луны носит в основном гипотетический характер ([18],[19]).

Водородная энергетика, основанная на получении водорода электролизом воды на АЭС, при современном техническом^ уровне.

Vj магистралей является взрывоопасной из-за малости размеров молекул водорода и его чрезвычайной текучести, имеет высокую себестоимость, А получения, транспортировки, хранения. Кроме того, водород активно связывает кислород воздуха, создавая атмосферу, непригодную для жизнедеятельности человека ([18],[19],[20]). s.

Таким образом, для получения энергии остаются апробированные источники, такие как уголь, запасы которого закончатся в следующем веке, вода (гидроэнергетика), которая не способна самостоятельно обеспечить необходимые мощности, и растительное сырье, возможности которого удовлетворять современные потребности в энергии исследованы слабо. Анализ проблемы обеспечения энергией показывает:

— Постоянный рост цен на энергоносители с определённого момента может превысить возможность их оплаты, что приведет к ограничению и сворачиванию жизнедеятельности общества.

— Времени для решения проблемы нахождения альтернативы нефти и газу остается около 40 лет.

— Альтернативное решение должно базироваться не на уникальном исчерпаемом энергоресурсе, а на непрерывно возобновляющемся, например, растительном сырье.

— В связи с этим проблема обеспечения энергией является актуальной.

Поэтому в последние годы во всем мире возрос интерес к возобновляемым источникам энергии ([21],[22],[23]).

Одним из направлений решения данной проблемы является исследование возможностей использования растительного сырья в качестве альтернативного источника энергии и повышение эффективности переработки растительного сырья в топливо ([24],[25],[26]).

Само по себе использование растительного сырья в качестве источника энергии известно давно (дрова). Однако, для промышленного использования такой способ получения энергии непригоден. Поэтому растительное сырье перерабатывают в топливный газ с помощью технологий, основанных на ферментации, сбраживании, гидрогенизации, газификации, пиролизе ([27],[28]). Из перечисленных технологий переработки растительного сырья максимальной эффективностью обладает процесс пиролиза.

В настоящее время исследования и разработки процессов и установок пиролиза растительного сырья проводятся во всем мире. Например, Министерством энергетики США утверждена государственная программа по переработке биомассы (U.S. Department of Energy’s Biomass Program), которой занимается специальное подразделение — Национальный центр по биоэнергетике (National Bioenergy Center) на базе Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии (National renewable energy laboratory). Подобной деятельностью занимаются такие организации, как «Biomass technology group» из Нидерландов, «Friends of the Earth» и из Великобритании, «Biomass energy foundation» из США и др. В России вопросами термической переработки древесины в середине XX века занимался коллектив исследователей под руководством Корякина В. И. А в настоящее время вопросами практической реализации установок пиролиза занимается производственная фирма «Синтур» из Екатеринбурга.

Однако, в широких масштабах процесс пиролиза растительного сырья для получения энергоносителей не используется. Причинами этого являются наличие большого количества остаточных продуктов реакций (до 75% от начальной массы сырья) и неэкономичность существующих технологий пиролиза растительного сырья.

Исходя из этого, целью работы является научное обоснование технических и технологических разработок, направленных на повышение эффективности переработки растительного сырья в топливный газ.

Отсюда вытекают задачи исследований:

1) анализ традиционных способов и устройств получения энергоносителей из растительной массы и обоснование выбора установок пиролиза в качестве объекта исследований- .

2) анализ традиционных схем и устройств пиролитической переработки растительного сырья в энергоносители для определения наиболее существенных факторов, влияющих на удельные затраты на выработку единицы объема энергоносителей (топливного газа) и на эффективность установок;

3) научное обоснование схемы и элементов конструкции установки пиролиза растительного сырья, обеспечивающих повышение эффективности установки и снижение удельных затрат на выработку единицы объема топливного газа;

4) определение зависимости объема выработки топливного газа от затрачиваемой энергии для разработанной установки пиролиза растительного сырья;

5) разработка системы управления установкой пиролиза, обеспечивающей повышение эффективности, включающая:

5.1) разработку математической модели, отражающей динамические свойства установки пиролиза,.

5.2) определение стратегии управления и разработку структуры системы управления,.

5.3) определение параметров модели системы управления и проверку эффективности работы алгоритма управления с помощью имитационного моделирования.

Предполагается провести системный анализ существующих конструкторских решений установок пиролиза, разработать и создать конструкцию лабораторной установки, провести экспериментальные исследования и создать математическую модель установки для разработки системы управления и оптимизации ее работы путем имитационного моделирования.

В первой главе проведен анализ известных в мировой практике технологий переработки растительного сырья в энергоносители, в результате которого обосновано использование процесса пиролиза в качестве объекта исследований.

Во второй главе проведен системный анализ известных схем пиролиза, определены способы повышения эффективности процесса пиролиза растительного сырья и реализованы конструкторские решения, обеспечивающие увеличение выхода топливного газа за счет возврата пиролизных смол в термореактор.

В третьей главе на основе экспериментальных исследований созданной автором пиролизной установки разработаны ее математические модели и проведена проверка их адекватности экспериментальным данным.

В четвертой главе разработана модель системы автоматического управления пиролизной установкой, исследованы ее параметры и разработана методика синтеза системы управления.

Положения, выносимые на защиту: основные конструкторско-технологические факторы, влияющие на удельные затраты на выработку единицы объема топливного газа и на эффективность установок пиролизанаучно обоснованная схема и конструкции элементов установки пиролиза с повышенной эффективностью;

— экспериментальные временные зависимости объема топливного газа от затрачиваемой энергии для разработанной установки пиролиза растительного сырья;

— соотношения, связывающие объем топливного газа и количество затраченной энергии в установке пиролиза с повышенной эффективностью с массой загружаемого сырьяматематические модели, описывающие динамику работы установки пиролиза, основанные на экспериментальных данных;

— закон управления пиролизной установкой на основе предложенного показателя эффективности расходования энергии на выработку единицы объема топливного газа;

— математическая модель системы автоматического управления установкой пиролиза растительного сырья.

В заключение хотелось бы поблагодарить тех людей, без которых данная работа была бы невозможна: моего папу, Глушкова Александра Ивановича, наставившего меня на данный путь и оказывавшего величайшую поддержку, моего научного руководителя Ушакова Петра Архиповича, кандидата технических наук, доцента, который направлял мои действия в нужное русло, ставил задачи и давал ценные рекомендации, доктора технических наук, профессора Алексеева Владимира Александровича, дававшего ценные методические советы и оказывавшего огромную помощь, кандидата физико-математических наук, профессора Демакова Юрия Павловича, оказавшего большую методическую помощь и поддержку, а также всех тех, кто тем или иным образом способствовал данной работе.

Основные результаты работы.

1. Проведен системный анализ традиционных схем и устройств переработки растительного сырья в энергоносители (топливный газ), результаты которого показывают, что процесс пиролиза имеет преимущества перед другими технологическими методами.

2. Произведен синтез конструкции пиролизной установки, реализующей принцип переработки растительной массы и пиролизных смол в одном цикле, на конструкцию которой получен патент РФ на изобретение. Показано, что при этом объем выработки пиролизного топливного газа возрастает с 0,38 м /кг (при традиционном способе пиролиза) до 0,6 м /кг, а эффективность процесса увеличивается в 1,5−2 раза.

3. Найдены временные зависимости объема выработки газа и затрачиваемой энергии, на основе которых составлена регрессионная модель зависимости требуемого количества энергии для пиролитической переработки определенной массы сырья.

4. Экспериментально определены характерные участки временных зависимостей объема выработки газа и произведена их количественная оценка, позволившие определить структуру и параметры математических моделей установки пиролиза, отражающих ее динамические свойства.

5. Введен показатель эффективности затрат энергии на выработку единицы объема газа, на основе которого составлен алгоритм управления работой автоматизированной пиролизной установки.

6. Разработана и исследована математическая модель системы управления пиролизной установкой, поддерживающая показатель эффективности на уровне, обеспечивающем максимальную эффективность для данного типа установок (энергетический выигрыш до 30% по сравнению со случаем, когда управление отсутствует).

Научная новизна результатов работы.

1) впервые предложен способ и произведена оценка увеличения количества топливного газа за счет возврата в топливный реактор пиролизных смол, произведена оценка повышения эффективности процесса;

2) получены экспериментальные зависимости объема топливного газа и затрачиваемой энергии для разработанной автоматизированной установки пиролиза с повышенной эффективностью от массы перерабатываемого растительного сырья;

3) теоретически обоснованы структура и параметры математических моделей, описывающих динамику работы установки пиролиза, основанных на экспериментальных зависимостях;

4) теоретически обоснованы закон управления установкой пиролиза, повышающей ее эффективность, структура и параметры математической модели системы автоматического управления.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов работы.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях системного анализа, математической статистики, математического моделирования, теории систем автоматического управления. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технических решений подтверждается полученным автором патентом на изобретение.

Практическая полезность результатов работы.

Обоснование эффективности использования растительного сырья в качестве альтернативного источника энергии позволяет по-новому взглянуть на возможные пути выхода из энергетического кризиса и открывает научно-техническое направление создания экологически безопасных энергетических установок пиролитической переработки растительного сырья.

Системный анализ установок пиролиза растительного сырья позволил определить направления повышения их эффективности и разработать автоматизированную установку пиролиза с повышенной эффективностью и пониженным количеством остаточных продуктов реакций, конструкция которой защищена патентом РФ.

Сформулированные положения конструкторского повышения эффективности установок пиролиза позволят предприятиям машиностроения проектировать и создавать простые и недорогие установки, позволяющие перерабатывать растительное сырье в энергоносители при пониженных затратах энергии и пониженном количестве остаточных продуктов.

Разработанные математические модели, описывающие динамику работы установки пиролиза, могут использоваться при проектировании установок пиролиза различной мощности и систем управления ими с применением вычислительной техники.

Применение разработанного алгоритма управления для установок пиролиза различной мощности позволит снизить их энергопотребление.

Внедрение установок пиролиза с повышенной эффективностью позволит смягчить топливно-энергетическую проблему, одновременно улучшая экологическую обстановку жизнедеятельности человека.

Апробация работы.

Материалы диссертационного исследования докладывались на VII-й Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (МК-18−56) (Пенза, 14 апреля 2006 г.) — 3-й научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 14−15 апреля 2006 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.