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:

Имад Саад Саиед Белаль. Разработка мероприятий по повышению эффективности использования биогаза в условиях Республики Судан : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01 / Имад Саад Саиед Белаль; [Место защиты: Моск. гос. агроинженер. ун-т им. В.П. Горячкина].- Москва, 2007.- 189 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5587

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 6

ГЛАВА I. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ СУДАНА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 13

1.1 Особенности сельского хозяйства Судана и его топливно-энергетической базы 13

1.2 Опыт получения и применения биогаза в Судане 15

1.3 Обзор и анализ альтернативных видов топлив 19

1.4. Газообразное топливо - альтернатива жидким моторным топливам 24

1.5 Биогаз - альтернативное топливо из биомассы 29

1.6 Особенности и опыт перевода дизелей на газ 38

1.7 Выводы по первой главе и задачи исследования 41

ГЛАВА И. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗА В МАЛОГАБАРИТНЫХ ДИЗЕЛЯХ 43

2.1 Особенности и преимущества газдизельного процесса при работе дизеля на биогазе 43

2.2 Обоснование и уточнение математической модели расчета рабочего цикла при работе двигателя на биогазе 44

2.3 Уточненный расчет рабочего цикла дизеля работающего на биогазе 49

2.4 Определение состава заряда в цилиндре в конце впуска 55

2.5 Определение коэффициента наполнения 58

2.6 Определение теплоты сгорания свежей смеси 62

2.7 Анализ процесса сжатия смеси газов 63

2.8 Определение коэффициента избытка воздуха при впрыскивании жидкого топлива 64

2.9 Определение теплоты сгорания результирующей смеси 66

2.10 .Выводы по второй главе 69

ГЛАВА III ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА БИОГАЗЕ 70

3.1. Объект и методы исследований 70

3.2. Определение основных параметров 71

3.3. Адаптация дизеля для работы на биогазе 73

3.4 Методика и программа проведения экспериментальных исследований двигателя 73

3.5 Результаты экспериментальных исследований влияния состава биогаза на работу двигателя 79

3.6 Уточнение показателя политропы расширения при проведении расчетных исследований. 89

3.7 Сопоставление результатов расчета рабочего цикла двигателя, работающего на биогазе с результатами экспериментальных исследований 93

3.8 Выводы по третей главе 98

ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА 100

4.1 Процесс получения биогаза 100

4.2 Особенности технологии производства биогаза в Судане 106

4.3 Анализ и разработка биогазового реактора 108

4.4 Математическая модель работы биогазового реактора 110

4.5 Подготовка биогаза к использованию 114

4.6 Расчет процесса работы обогатителя биогаза для бытовых нужд 121

4.7 Обогащение биогаза 136

4.8 Сжатие биогаза 138

4.9 Выводы по четвертой главе 13 8

ГЛАВА V ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ РЕСПУБЛИКИ СУДАН 140

5.1 Особености сельскохозяйственного производства республики Судан 140

5.2 Состояние энергетики республики Судан 146

5.3. Переспектива использования продуктов биогазовой технологии в республике Судан 152

5.4 Оценка экономической эффективности применения биогаза в условиях Судана 158

5.5 Выводы по пятой главе 164

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 166

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 168

ПРИЛОЖЕНИЯ 181 

Введение к работе:

Истощение запасов нефти и традиционых энергоресурсов, рост цен на них и обострение экологических проблем обусловили глобальный интерес к разработке и использованию биогазовой технологии для получения механической, тепловой, электрической энергий и биоудобрений. Биогазовая технология может быть использована для переработки многих видов органических отходов, навоза, сточных вод, отходов сельскохозяйственных культур и производства, улучшая экологическую обстановку местости. Тот факт, что животные неполно усваивают энергию растительных кормов и более половины этой энергии уходит в виде навоза, позволяет рассматривать последний не только как ценное сырье для органических удобрений, но и как мощный возобновляемый источник энергии.

Одним из путей рациональной утилизации навоза и других органических отходов является их анаэробное сбраживание, что обеспечивает обезвреживание и сохранение их как органического удобрения при одновременном получении биогаза.

Одиным из перспективных видов альтернативного моторного топлива, производимого из местного биосырья, 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 в 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 от 4 до 6-Ю15 Дж, а к 2008г планируется дальнейшее увеличение до 8-Ю15 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. м биогаза, что эквивалентно 24 млн. м природного газа.

В США работают 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 • 1015 Дж., Германии - 14 • 1015 Дж., Японии - 6 • 1015 Дж а в Швеции - 5 • 1015 Дж. [28,124].

В Китае эксплуатируется более 5 млн. семейных биогазовых реакторов, ежегодно производящих 1,3 млн. м 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-Ю9 Вт.ч. Биогазовая продукция Китая оценивается в 33-1015 Дж [26,41].

В Индии действует около 5-6 тыс. установок, дающих от 2 до 400 м3 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, и в частноти в Судане нарастает объем использования биогаза для выработки электроэнергии и теплоты для приготовления пищи. Побочным эффектом от использования технологии получения биогаза для энергетики так же являются предотвращение наступления пустыни, защиты лесных ресурсов и снижения нефтяной зависимости [72, 86].

В процессе переработки органических отходов в биогазовых установках получают два основных продукта - биоудобрение и биогаз, которые можно использовать в сельскохозяйственном производстве и в быту.

Биогаз - это смесь из 50 - 80% метана СЕ,, 20 - 50% углекислого газа С02,1% сероводорода (H2S) и незначительных следов азота N2, кислорода 02, и водорода Н2, а так же продуктов метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза (20-25 МДж), эквивалентна энергии 0.6 м природного газа, 0.74 л нефти или 0.66 л дизельного топлива. Соотношение СЩ и С02 зависит от исходного субстрата и характеристики процесса брожения (температуры, времени пребывания массы в реакторе и загрузки его рабочего пространства). Теплотворная способность биогаза оставляет 22...29 МДж/ м и 1 м его эквивалентен 0,7-0,8 кг условного топлива. В результате брожения из 1 т органического вещества (по сухой массе) получается 350...600 М3 биогаза, при этом КПД превращения энергии органических веществ в биогазе 80...90%. [8,26,28].

Эффективность использования биогаза составляет 55% для газовых плит, и от 24% для двигателей внутреннего сгорания. Наиболее эффективный путь использования биогаза - это комбинация тепловой и электрической энергии, при которой можно достичь до 88% эффективного кпд, что является лучшим видом использования биогаза для крестьянских ферм и отдельных хозяйств [64].

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 дизельного 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 [36].

Однако создание ДВС, работающих на газе с такой низкой теплотой сгорания как у биогаза, представляет определенные трудности. Они обусловлены необходимостью сохранения мощности и экономичности работы базового двигателя на эксплуатационных режимах, сохранения его надежности, обеспечения устойчивости на всех режимах, минимальных конструктивных доработок базового двигателя и т.д. В этой связи целесообразнее использовать не биогаз, а получаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют СОг, водяной пар, сероводород и другие примеси. Очистка биогаза от двуокиси углерода (СОг) может производиться различными способами. К наиболее распространенным методам относятся: промывка газов через жидкие поглотители (например, воду), вымораживание, адсорбция при низких температурах, после чего полученный газ имеет практически однородный состав, содержащий 90...97 % СН4 с теплотой сгорания 35...40 МДж/м3. [19,28,78,87].

Переработанные в биогазовых реакторах органические отходы превращаются в ценные биоудобрения, которые содержат значительное количество питательных веществ, и могут быть использованы в качестве органических удобрений и кормовых добавок. Образующиеся при сбраживании гумусные материалы улучшают физические свойства почвы, а минеральные вещества, служат источником энергии и питанием для деятельности почвенных микроорганизмов, что способствует повышению усвоения питательных веществ растениями. Основное преимущество биоудобрения заключается в сохранении легко усваиваемой формы практически всего азота и других питательных веществ, содержащихся в исходном сырье [46,78].

Актуальность темы. Уровень развития сельскохозяйственного производства, являющегося основой экономики республика Судан отстает от роста потребностей населения из-за слабой энергетической базы, зависящей от нефтяного топлива, ввозимого из-за рубежа. Естественным выходом из создавшейся критической ситуации в Судане состоит в эффективном использовании биогазовой технологии получения, механической и электрической энергии, а так же биоудобрения.

Для данной технологии в Судане, обладающего огромным поголовьем крупного рогатого скота (до 140 млн.), благоприятным климатам со средней годовой температурой +27°С и достаточным количеством осадков на основной его территории, сложились оптимальные условия ее применения .

В этой связи оптимизация получения использования биогаза и органических удобрений на основе переработки отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой промышленности и бытовых стоков, разработка прогрессивных биогазовых технологий с улучшенными оборудованиеми и энергетическими установками с ДВС, работающих на биогазе, является весьма актуальной проблемой и в частности для Судана.

Цель исследования - улучшение показателей технологии использования и утилизации биогаза из отходов сельскохозяйственных культур, животноводства и быта в механическую энергию и биоудобрения с учетом специфики республики Судан.

Объектами исследований являются технологический процесс получения, очитки, и утилизации биогаза из отходов сельскохозяйственных культур, животноводства и быта в механическую энергию и биоудобрения с учетом специфики Республики Судан.

Методы исследования Поставленная в диссертации цель исследования достигается с помощью теоретических и экспериментальных исследований на основе математического моделирования и анализа поведения объекта исследования, газодизельного двигателя и обогатителя биогаза, синтезируя требования к составу биогаза и методом управления технологическим процессом очистки и обогащения биогаза.

Обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием программ расчетов на ПЭВМ. Выводы и рекомендации сформулированы на основе результатов аналитических и экспериментальных исследований биогазовой технологии и системы очистки и использования биогаза и малогабаритного дизельного двигателя работающего на биогазе.

Достоверность и обоснованность научных положений работы определяется:

использованием фундаментальных законов и уравнений термодинамики, механики, современных численных и аналитических методов реализации математических моделей, методов регрессионного анализа и планирования эксперимента.

- сравнительными исследованиями в лабораторных и натурных условиях работы газодизеля и макетных образцов реактора и обогатителя с использованием современных контрольно- измерительных приборов, разработанных средств регулирования состава биогаза, расчета и обработки данных на ПЭВМ.

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

1.Уточнена математическая модель расчета работы дизеля на биогазе с различной концентрацией метана, и предложена методика его расчета 2.Разработана математическая модель расчета работы обогатителя биогаза и разработан алгоритм управления процессом очистки и обогащения биогаза до требуемой концентрации метана в биогазе.

3.Разработана с учетом специфики Судана улучшенная биогазовая технология получения и утилизации биогаза из бытовых, сельскохозяйственных отходов и отходов животноводства, в механическую, электрическую энергию и биоудобрения.

Практическую ценность исследования заключается в: 1.Обосновании базовой биогазовой технологии энергетики Судана, с улучшенными топливо-энергетическими показателями, обеспечивающей замещение импортного топлива для сельского хозяйства до 88% в переобрудованныых дизелях.

2. Разработке уточненного алгоритма и методики расчета дизельного двигателя на биогазе.

3.Разработке математической модели расчета и работы обогатителя биогаза, разработке алгоритма управления процессом очистки и обогащения биогаза до требуемой концентрации метана для бытовых нужд или ДВС. 4.Разработке технологической схемы системы и методики очистки биогаза в обогатителе, обеспечивающей возможность управления процессом очистки и обогащения биогаза для обеспечения хозяйства необходимой электроэнергией и биоудобрениями.

5.Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и также в организациях, занимающихся созданием биореакторов или энергетических средств сельскохозяйственного назначения, а также в сельскохозяйственном производстве Судана.

Реализации результатов работы: Уточненный алгоритм и программа расчета работы дизеля по газодизельному циклу на биогазе, а также программа расчета системы очистки и обогащения биогаза до требуемой концентрации метана и результаты исследований внедрены в ЗАО «Дизель КАР»

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-практических конференциях кафедры Тракторы и Автомобили ФГОУ ВПО - МГАУ имени В.П. Горячкина с 2005 - 2007 г, и на заседании кафедры Тракторы и Автомобили ФГОУ ВПО - МГАУ имени В.П. Горячкина с участием профессорско-преподавательского состава кафедр "Тракторы и автомобили", "ЭМТП" и "Автомобильный транспорт" МГАУ имени В.П. Горячкина в 2007 г.

Публикации: По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы (все 4- работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) в которых отражены основные положения диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 180 страниц машинописного текста, включая 36 рисунка, 47 таблиц и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает в себя 145 наименования, из них 84 на иностранном языке.

Подобные работы
Тагоймуродов Алимурод
Повышение эффективности технологии производства картофеля путем рационального использования топливно-энергетических ресурсов в условиях Республики Таджикистан
Нисин Сергей Михайлович
Повышение эффективности использования трактора "Беларусь-1221" на обработке почвы в условиях Северо-Запада РФ путем обоснования его рационального агрегатирования
Елепов Александр Алексеевич
Повышение эффективности производства картофеля за счет выбора рациональных форм использования техники (В условиях Архангельской области)
Вологжанин Виктор Николаевич
Повышение эффективности использования зерноуборочного комплекса путем энергосбережения и обеспечения качества технологических процессов в условиях Кировской области
Зайнагабдинов Ришат Рашитович
Повышение эффективности использования машинно-тракторных агрегатов совершенствованием их распределения по видам работ с учетом текущих условий функционирования
Горбань Дмитрий Геннадьевич
Повышение эффективности использования пахотных агрегатов
Бешнихин Александр Юрьевич
Повышение эффективности использования свекловичных сеялок ССТ-12 введением элементов пневмомеханических систем
Юшин Александр Юрьевич
Повышение эффективности использования тракторно-транспортного агрегата за счет модернизации подвески сиденья трактора
Дзежкевич Виталий Евгеньевич
Повышение эффективности использования агрегата с модернизированной свекловичной сеялкой на посеве сои
Маслов Сергей Николаевич
Повышение эффективности использования агрегата с модернизированной свекловичной сеялкой на посеве фасоли

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