Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Руфаи Ибрахим Ахмад. Использование вторичного тепла автономных энергоустановок для анаэробной переработки навоза : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01. - Москва, 2006. - 154 с. : ил. РГБ ОД,

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 6

ГЛАВА I. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 15

  1. Анаэробная переработка навоза в биогаз и биоудобрения 15

  2. Эволюция альтернативных источников энергии 16

  3. Опыт использования альтернативных энергоносителей в двигателе внутреннего сгорания 19

  4. Газообразное топлива как альтернатива жидким

моторным топливам 34

  1. Обоснование сжигания низкокалорийных топлив в ДВС 38

  2. Особенности реализации технологии сжигания биогаза в ДВС 39

  3. Выработка и потребление тепло- и электроэнергии в сельском хозяйстве 43

  4. Выводы 51

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬ
ЗОВАНИЯ БИОГАЗА КАК МОТОРНОГО ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЯХ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 52

2.1 Технология производства биогаза 52

2.1.1 Процесс получения биогаза 52

2.1.2 Биогазовые установки „59

2.2 Математическая модель работы биогазовой установки 63

  1. Обоснование параметров функционирования биореактора 63

  2. Тепловой расчет биоустановки 64

2.3 Теоретические аспекты работы двигателя на биогазе 66

  1. Физико-химические свойства топлива 67

  2. Процессы в цилиндре 70

2.3.3 Граничные условия 75

  1. Тепловые граничные условия 75

  2. Газодинамические граничные условия 76

2.4 Эксплуатационные показатели работы двигателя 77

  1. Показатели качества газообмена 77

  2. Показатели эффективности двигателя 78

  3. Характеристики теплообмена 80

  4. Показатели теплонапряженности деталей двигателя 81

2.5 Выводы 82

ГЛАВА III. ПЕРЕВОД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДИ
ЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА БИОГАЗ. ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ (ВЭР) ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ПОВЫШЕ
НИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ БИОУСТАНОВКИ
83

3.1 Методика перевода теплоэнергетических средств на газ 83

  1. Технологический процесс переоборудования автотракторных двигателей на газ 85

  2. Конструктивные изменения, применяемые при переводе двигателя Д-240 на Г-240 85

3.1.3 Методика расчета работы двигателя Г-240 на биогазе 86

3.1.4 Сравнение двигателя Г-240 с Г-243 88

3.2 Методика утилизации теплоты вторичных энергетических
ресурсов ДВС 92

3.2.1 Обоснование методики для разработки системы подогрева
навоза 92

3.2.2 Использования теплоты охлаждающей жидкости ДВС 95

  1. Использования теплоты отработавших газов двигателя 100

  2. Теплообмен в биореакторе 104

  3. Гидравлический расчет системы подогрева навоза 107

3.3 Математическая модель и расчетные характеристики системы
утилизации теплоты сгорания биогаза 109

3.4 Программа расчета и работа биоустановки в непрерывном

режиме 113

3.5 Выводы 122

ГЛАВА IV. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ
МЕНЕНИЯ БИОГАЗА КАК МОТОРНОГО ТОПЛИВА В СЕЛЬСКОМ
ХОЗЯЙСТВЕ
123

  1. Оценка социально-экологических параметров биогазовой установки 123

  2. Математическая модель экономической эффективности биогазовой установки 124

  3. Выводы 131

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 132

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 134

ПРИЛОЖЕНИЯ 149

БЛАГОДАРНОСТЬ

Выполнение данной диссертационной работы было возможным при помощи бесценной поддержки и содействия особых лиц, должником которых автор остается на всю жизнь. Поэтому, автор выражает особую признательность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору А.Н. Захарченко, доценту С.Н. Девянину, доктору технических наук, профессору А.Г. Левшину, Наталье Львовне Блощенко, Наталье Павловне Клейменовой и В.М. Володину.

Введение к работе:

Анаэробное сбраживание является наиболее распространенным способом получения биогаза. Биогаз - древнейший источник энергии, применение которого датируется до X века до нашей эры (в Ассирии) и до XVI века (в Персии). Уже в XVII веке Jan Baptita Helmont - первым предположил, что го-

ф рючий газ выделялся из гниющей биомассы. В 1776 году Count Alessandro

Volta установил прямую корреляцию между объемом гниющей биомассы и количеством выделившего горючего газа. В 1808г, Английский ученый Sir Humphry Davy (1778-1829) доказал, что метан содержится в газе, выделившего в процессе анаэробного сбраживания навоза крупного рогатого скота. Однако он не уделял особого внимания метану, так как его интересовала переработка навоза [163].

Первая, в Мире, биогазовая установка была построена в колонии для прокаженных города «Матинга», недалеко от Бомбея, Индии в 1859г [133]. Биогазовая установка появилась в Англии в 1895г где, полученный при ана-

* эробном брожении муниципальных стоков биогаз, был использован для осве-

щения улиц города "Exeter" [131]. Построение очистительного сооружения, впервые, утверждало практическое и коммерческое значения биогазовых установок.

В настоящее время получение биогаза связано, прежде всего с перера
боткой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводст
ва, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и
^ осадков. Проблемами разработки биогазовых технологий, созданием обору-

дования, установок и станций занимаются несколько организаций России: Мосводоканал, Академия коммунального хозяйства, ВИЭСХ, ЦВНИИКОМЖ, и вновь созданные фирмы: АО Центр "ЭкоРос", АО "Октябрьская птицефабрика", АО "Грин-Вельт", АО "Лесса", АО "ЭкоБио", АО "Стройиндустрия"

(Республика Чувашия), АО "Заволжский авторемонтный завод" (Нижегородская область), АО "Стройтехника - Тульский завод" [64, 69].

В настоящее время основная доля энергии, применяемой в сельском хозяйстве, производится за счет сжигания или переработки природного органно-содержащего сырья - угля, нефти, газа, горючих сланцев, торфа, а также использования энергии рек путем построения гидроэлектростанций (ГЭС). Современные способы производства и использования энергии (в промышленности, коммунально-бытовом, сельском хозяйстве, на транспорте и прочих), в большой или меньшей степени, связаны с определенными отрицательными воздействиями на окружающую среду.

Сгорание топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) является источником загрязнения окружающей среды. Ежегодно, во всем мире, выбрасывается 60 млн.т. СОг автомобильным транспортом и промышленностью. Только в соединенных штатах Америки (США) выделяется 3 млн. т. SO2 в год, при чем мировой объем выбросов S02 составляет около 60 млн. т. [19].

Остается фактом, что человечество должно рассмотреть вопросы эффективности применения топлив с целью разработки рационального их использования. Некоторые автомобильные и траю-орные заводы уже перерассматривают свои производственные циклы с целью повышения КПД и снижения количества вредных выбросов в отработавших газах (ОГ). Например, в настоящее время применяют электронное зажигание, гибридные автомобили, улучшили впрыск топлива и разработали совершенные ДВС. Немало важную роль, в этом направлении, играют разработка и применение альтернативных топлив в энергетических средствах сельскохозяйственного назначения. Среды перспективных альтернативных топлив, применяемых в двигателях, рассматриваются биотоплива, электроэнергия, этанол, метанол и их эфиры, водород, природный газ (CNG, LNG и LPG) и реформированные нефтяные топлива. Сведение об использовании этих альтернативных топлив дано некоторыми

исследователями [40, 55, 84]. Современные разработки включают двигатели, работающие на водороде преимуществом которых является выброс воды в месте отработавших газах [54].

Особо перспективным альтернативным топливом является биогаз, индустрия которого появилась за короткий промежуток времени во многих странах мира. Если в 1980-х годах в мире насчитывалось около 8 млн. установок для получения биогаза суммарной мощностью 1,7-2 млрд. м3 в год, то в настоящее время данные показатели соответствуют производительности только одной страны - Китая.

Пионером в коммерческом использовании биогазовых заводов для получения биогаза является Дания. Суммарная годовая энергетическая мощность производителей биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет до 4 . 1015 Дж, а к 2005г планируется дальнейшее увеличение до 6.10 Дж. В Дании эксплуатируется 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн.т. биомассы (75% отходов животноводства и 25% - других органических отходов), давая до 45 млн. м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа.

В США работает более десяти крупных биогазовых заводов, один из которых подает вырабатываемый биогаз в газораспределительную сеть Чикаго. В США получили широкое распространение установки для использования отходов на небольших скотоводческих фермах с поголовьем до 150 единиц крупного рогатого скота.

В фермерских хозяйствах Европы и Канады распространены установки производительностью до 100 - 200 м биогаза, что обеспечивает хозяйство тепловой энергией летом на 100%, а зимой - 30-50%. Большое количество биогаза производится также и при переработке твердых бытовых отходов городов: в США - 9 . 10t5 Дж., Германии - 14 . 10м Дж., Японии - 6 . 1015 Дж а в Швеции-5. 10|5Дж.

В Китае эксплуатируется более 5 млн. семейных биогазовых реакторов, ежегодно производящих 1,3 млн. м3 биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек. Действует 24 000 биогазовых очистительных сооружений для обработки отходов городов; работает около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3.10 Вт.ч. Биогазовая продукция Китая оценивается в 33 . 1015 Дж [57].

В Индии действует около 5-6 тыс. установок, дающих от 2 до 400 м биогаза в сутки. Национальная программа Индии по развитию биогазовых технологий включает в себя обеспечение чистой энергии для отопления и приготовления пищи, получение органических удобрений и повышение эффективности сельскохозяйственного производства.

В странах Африки, биогаз применяется для выработки электроэнергии и теплоты для приготовления пищи. Целью использования биогаза в энергетике являются предотвращение запустения, защиты лесных ресурсов и получение нефтезависимости [88, 94].

В России до сих пор к биогазу относились как к экзотическому топливу, и об его промышленном использовании задумываются скептически. В настоящее время, переход к рынку, окончание эры дешевой нефти и обострение глобальных экологических проблем заставляют пересмотреть отношение к биогазу, по крайней мере, в сельском хозяйстве. На сегодняшний день, разработано и применяется достаточно большое количество технологии получения биогаза, основанного на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентрации бактериальной массы, длительности протекания биореакции и.т.д. При этом содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50 - 90% [20].

По своему химическому составу, биогаз напоминает природный газ и может быть применен в автотракторных двигателях внутреннего сгорания. По данным Шведских и Швейцарских ученых, биогаз может использоваться в ДВС, так как по экологическим характеристикам биогаз на 75% чище ди-

зельного топлива и на 50% чище бензина. Токсичность биогаза для человека на 60% ниже традиционного топлива. Продукты его сгорания практически не содержат канцерогенных веществ. Влияние отработавших газов двигателей, работающих на биогазе, на разрушение озонового слоя на 60 — 80% ниже, чем у нефтяных видов топлива [53].

Согласно термодинамическим показателям, ДВС обеспечивает превращение в полезную работу не более 45...46% термодинамической энергии топлива. Остальная теплота, выделившаяся при сгорании топлива, теряется либо с поверхности охлаждения, либо с уходящими из него отработавшими газами (ОГ)' Проведенный анализ показывает, что при сгорании биогаза как моторного топлива, значительная часть потерь приходится на отработавшие газы и охлаждающую жидкость. В дизелях они составляют 85...110% по отношению к эффективной мощности, а в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходит ее на 25...45% [31].

Большие потери энергии, которыми сопровождается работа двигателей внутреннего сгорания, а также расход энергии биогаза на поддержание режима анаэробного сбраживания свидетельствуют о значительных резервах повышения показателей эффективности в случае утилизации этой энергии. Такое техническое решение позволит получать дополнительную работу без потребления дополнительного топлива.

Существует ряд технических систем, которые могут быть использованы для утилизации теплоты ДВС. Анализ этих систем, проведенный в настоящей работе, показывает перспективность применения рекуперативных теплообменников для утилизации теплоты охлаждающей жидкости (ОЖ) и отработавших газов (ОГ). Разработка и применение систем утилизации ОГ ДВС проводились некоторыми исследователями [45, 47, 46, 52, 81]. Однако среди выполненных исследований нет работ, посвященных вопросам по применению теплоты отработавших газов ДВС в системе анаэробного брожения навоза.

Актуальность темы. Интенсификация животноводства создает проблему обработки и использования отходов и требует соответствующих решений по утилизации отходов, энергосбережению и сохранению экологического равновесия в природе. В крупных животноводческих фермах изменились количество и состав получаемых жидких отходов, из-за отказа от применения соломенной подстилки и использования большого количества воды для уборки помещений. Животноводческие отходы имеют высокую биологическую активность и содержат значительное количество микроорганизмов и семян сорняков. Для переработки и обеззараживания животноводческих стоков наиболее распространение получают биоустановки. Биоустановки обеспечивают переработку навоза с последующим получением экологически чистого биоудобрения высокого качества и биогаза, являющегося альтернативным источником энергии, который может быть использован для внутрихозяйственных нужд.

В настоящее время отмечается низкая эффективность эксплуатации биоустановок в сельском хозяйстве. Для обеспечения оптимальных условий анаэробного сбраживания и активного выделения биогаза необходимо постоянно снабжать биоустановки тепловой энергией, соответствующей 30...35% энергии получаемого биогаза. Это обеспечивается путем сжигания биогаза непосредственно в котле, который входит в комплект биоустановки.

В связи с этим повышение эффективности использования биоустановки в животноводческой ферме путем использования биогаза в ДВС и утилизации вторичного тепла для анаэробной работы биоустановки является актуальной научной задачей.

Повышения эффективности работы биоустановки, в настоящей диссертации, добывается путем применения технико-энергетических (вторичных энергетических ресурсов ДВС для нагрева навоза) и эколого-экономических (предотвращения ущербов окружающей среде за счет анаэробного сбраживания навоза) приемов.

Объектами исследования являются техническая система (биоустановка) и утилизационная система, включающая рекуперативные теплообменники для утилизации теплоты охлаждающей жидкости и отработавших газов, и конвертированный на газ двигатель Г-240.

Предметом исследования служили эксплуатационные показатели биоустановки и системы утилизации тепла, в частности выхода биогаза и тепловой баланс упомянутых систем.

Нормативно-правовую основу диссертационных исследований составили постановления Правительства города Москвы и РФ, инструкции и методические положения мировых организаций, в том числе и ООН, по защите окружающей среды, а также европейские стандарты.

Цели и задачи исследования: Целью научной работы является разработка методов повышения эффективности работы биоустановки за счет утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов ДВС. Для достижения поставленной цели было необходимо решать следующие задачи:

Изучить особенность и определить эксплуатационные показатели работы ДВС на биогазе;

Оценить целесообразность использования теплоты продуктов сгорания биогаза для обеспечения потребности биоустановки в тепловой энергии;

Разработать систему утилизации вторичных энергетических ресурсов двигателя внутреннего сгорания в составе биоустановки;

Определить экономическую эффективность разработанных методов применения биоустановки в хозяйстве АПК.

Методика исследования базировалась на использовании положений метода кибернетического подхода и компьютерной обработки данных. Работа носит теоретико-экспериментальный характер. В опытах были использованы материалы и средства опытной станции "АО Центр ЭкоРос" для получения биогаза и конвертированный (НАТИ) на газ двигатель Г-240.

Выводы и рекомендации сформулированы на основе результатов аналитических и экспериментальных исследований биогазовой установки и системы утилизации вторичной теплоты двигателя состоящей из конвертированного на газ двигателя Г-240, теплообменников и трубопроводов.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, вносимых автором на защиту:

Методика утилизации вторичных энергетических ресурсов двигателя внутреннего сгорания для удовлетворения собственных нужд биоустановки;

Математическая модель утилизации вторичных энергетических ресурсов двигателей внутреннего сгорания;

Математическая модель экономической эффективности биогазовой установки.

Практическую значимость исследования составляют:

Конструктивно-технологическая схема и методика расчета теплового баланса биореактора.

Методика расчета процессов работы ДВС, работающих на биогазе.

Технологическая схема системы утилизации вторичных энергетических ресурсов ДВС для обеспечения биоустановок теплотой, необходимой для анаэробного сбраживания навоза.

Экологическая оценка эксплуатации биоустановки в сельском хозяйстве.

Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и также на заводах, занимающихся созданием биоустановок или теплообменных аппаратов сельскохозяйственного назначения, а также в сельскохозяйственном производстве.

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертацион
ной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-
практических конференциях кафедры Механизации растениеводства РГАУ-
МСХА имени К.А. Тимирязева с 2003 - 2006 г, и на заседании кафедры Меха
низации растениеводства РГАУ-МСХА с участием профессорско-
преподавательского состава кафедр "Тракторы и автомобили", "ЭМТП" и
"Автомобильный транспорт" МГАУ имени В.П. Горячкина в 2006 г.

Публикации: По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, в том числе одна монография (на английском языке).

Структура и объем работы. Диссертация содержит 148 страниц машинописного текста, включая 26 рисунок, 18 таблиц и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает в себя 165 наименований, из них 80 на иностранном языке.

Подобные работы
Велез Деже
Обоснование технологических параметров биогазовых станций по анаэробной переработке навоза ферм крупного рогатого скота (применительно к условиям Венгрии)
Фурсин Павел Алексеевич
Обоснование, создание и исследование функционирующей механизированной поточной линии удаления и переработки жидкого навоза на животноводческих фермах
Узеринов Леонид Георгиевич
Совершенствование технологии переработки подстилочного навоза с разработкой измельчителя-разбрасывателя органических удобрений
Ильин Сергей Николаевич
Ресурсосберегающая технология переработки свиного навоза с получением биогаза
Омаров Асан Кайырбекович
Обоснование технологического процесса разведения жидкого навоза крупного рогатого скота с использованием фильтрующей центрифуги
Попов Владимир Иванович
Математическое моделирование тепло-массопереноса в горных породах с использованием диаграммы фазового равновесия
Суренкова Татьяна Александровна
Изменение плодородия среднеэродированных лугово-черноземных почв южной лесостепи Западной Сибири продуктом биоэнергетической переработки навоза
Мельцов Иван Владимирович
Эффективность дегельминтизации жидкого бесподстилочного навоза при разных технологиях его переработки

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net