Анотація до роботи:

Шишко Ю.В. Енергозберігаюча технологія отримання паливного газу з біомаси та його спалювання в пічних агрегатах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертацію присвячено створенню енергозберігаючої технології одержання висококалорійного газу з біомаси та його спалювання в енерготехнологічних агрегатах з метою часткової заміни основного вида палива – природного газу. Виконано аналіз ефективності енергетичного використання біомаси в Україні та за рубежем. Експериментальним шляхом досліджено процес піролізу відходів біомаси при різних режимах. Розроблено технологічні схеми сумісної роботи нагрівальної печі і піролізера, а також проведено оцінку ефективності роботи схем при частковій заміні природного газу на піролізний. Визначено властивості відходів біомаси (тирса, лузга соняшника) як палива, необхідні для створення устаткування і розробки технології одержання високотемпературного піролізного газу. Розроблено математичні моделі процесів теплообміну і піролізу часток біомаси у вільному падінні та у потоці гарячого повітря. Проведено чисельні дослідження теплотехнологічних процесів термічної обробки біомаси, розроблено рекомендації з вибору основних режимних параметрів ведення процесів. Розроблено і досліджено спосіб завантаження відходів біомаси в установку піролізу, який забезпечує герметичність робочої камери, безперервність і рівномірність подачі біопалива. Розроблено технічне завдання на дослідну установку для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря.

У дисертації вирішено науково-технічну задачу створення енергозберігаючої технології одержання висококалорійного газу з біомаси та його спалювання в енерготехнологічних агрегатах з метою часткової заміни викопного палива – природного газу. На основі дослідження властивостей відходів біомаси і математичного моделювання процесів теплообміну та піролізу відходів розроблено двохстадійні процеси термічної переробки біомаси у зваженому шарі, визначено їхні технологічні параметри, а також розроблено конструкції основних вузлів установок піролізу. Проведені дослідження дозволяють зробити наступні узагальнення та висновки:

1. Порівняння способів термічної переробки відходів біомаси (пряме спалювання, газифікація і піроліз) показали, що технологія піролізу має певні переваги, а саме:

процес піролізу вимагає більш низьких робочих температур і зовнішнього підведення теплоти тільки у початковій стадії процесу;

теплота згоряння піролізного газу вдвічі перевищує аналогічний показник для генераторного газу;

технологія «повільного» піролізу з використанням летючих продуктів у гарячому стані дозволяє використовувати їх енергетичний потенціал у повному осязі, а також виключити енерговитрати на очищення газу.

2. Розроблено технологічні схеми роботи нагрівальної печі з частковою заміною природного газу продуктами піролізу відходів біомаси з розміщенням піролізера до і після рекуператора, а також схему піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря (патент України № 471212А).

3. Експериментально досліджено властивості відходів біомаси як палива для енерготехнологічних агрегатів. У результаті отримано: регресійну залежність інтегрального розподілу часток лузги соняшника по еквівалентному діаметрі; значення насипної і дійсної щільності лузги соняшника: (_НАС = 90 ± 2,3 кг/м³, _ДІЙСН = 390 ± 55 кг/м³); уточнену залежність для розрахунку динамічного коефіцієнта форми часток лузги соняшника, що дозволило знизити погрішність розрахунків швидкості витання з 20 до 7 %; температуру запалення відходів біомаси в потоці гарячого повітря (370 – 420 С).

4. Розроблено методику оцінки ефективності економії природного газу підчас спільної роботи нагрівальної печі і піролізера. Встановлено, що максимальна величина заміни природного газу при розміщенні піролізера після нагрівальної печі перед рекуператором може досягати 80 – 90%, при розміщенні піролізера за рекуператором – до 30 %, при використанні процесу піролізу в потоці гарячого повітря – до 60 %.

5. На основі математичного моделювання роботи печі і піролізера із вільнопадаючим шаром і піролізу в потоці гарячого повітря розроблено двохстадійну схему процесу використання відходів біомаси: нагрів біомаси в зваженому шарі протягом 5–10 с та подальше розкладання відходів біомаси в щільному шарі тривалістю 20 –30 с.

6. Визначено граничні значення питомих витрат біомаси, що забезпечують реалізацію процесу піролізу в потоці гарячого повітря, які складають 0,084 – 0,347 (кг біомаси)/(кг повітря) в залежності від температури повітряного потоку (350 – 500 С) і вологості біомаси.

7. Розроблено спосіб завантаження дрібнодисперсної біомаси в енергетичні агрегати, що утворює герметичність робочої камери за рахунок ущільнення шару матеріалу, який завантажується, та забезпечує безперервність і рівномірність його подачі.

На підставі експериментальних досліджень аеродинамічного опору шару біомаси в широкому діапазоні порозності шару 0,2 – 0,73 і закономірностей ущільнення біомаси підчас руху в каналі отримано регресійну залежність зусилля ущільнення шару відходів біомаси від діаметра каналу, надлишкового тиску в апараті та припустимого рівню витоків.

8. Оцінка економічної ефективності запропонованих технологічних схем показала, що зниження витрат при заміні природного газу на піролізний забезпечує окупність капітальних вкладень менш ніж за 1 рік.

Результати досліджень, які було отримано в дисертаційній роботі, було використано підчас розробки технічного завдання на дослідну установку ВАТ «Дніпротехнологія» для піролізу відходів біомаси в потоці гарячого повітря.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних наукових працях:

1. Шишко Ю.В. Динамика нагрева частиц и выхода летучих продуктов при пиролизе отходов биомассы // Металлургическая теплотехника. –Днепропетровск: НМетАУ–2002.– Т. 8.– С.147-152.

2. Губинский М.В., Шишко Ю.В. Выбор технологических параметров узла загрузки отходов биомассы в энергетический агрегат // Системні технології. – 2002. – № 3 (20). – С. 8-15.

3. Губинский М. В., Усенко А. Ю., Шишко Ю. В. Исследование гранулометрического состава различных видов топливной биомассы // Інтегровані технології та енергозбереження. – 2002. – №2, с. 114 – 118.

4. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. Определение технологических возможностей получения газового топлива путем пиролиза биомассы // Інтегровані технології та енергозбереження. – 2001. – №2, с. 120 – 125.

5. Губинский М. В., Усенко А. Ю., Шишко Ю. В. Оценка эмиссии парниковых газов при производстве энергии в Украине // Інтегровані технології та енергозбереження.–2001.–№2,с.46– 50.

6. Губинский М. В., Шишко Ю. В. Исследование гидравлического сопротивления плотного слоя отходов биомассы // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2001. – Т. 4. – С. 145 - 151.

7. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю., Хейфец Р. Г. Получение пиролизного газа из растительной биомассы в потоке воздуха с целью замены природного газа в нагревательных печах // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2000. – Т. 3. – С. 158 – 165.

8. Шишко Ю. В., Губинский М. В., Хейфец Р. Г. Разработка схемы утилизации тепла дымовых газов нагревательных печей с целью получения топливного газа // Металлургическая теплотехника. – Днепропетровск: ГМетАУ. – 1999. Т. 1. – С. 202 – 205.

9. Gubinsky M., Shishko Y., Cheifetz R. and Usenko A. Biomass pyrolysis of organic wast in rarefied layer // Biomass. A Growth Opportunity In Green Energy And Value-Added Products / Proceedings of the Fourth Biomass Conference of the Americas. – Oakland, California. – 1999. – Pergamon an imprint of Elsevier Science. – Vol. 2. – Р. 1209-1214.

10. Gubinskij M.V., Shishko J.V., Usenko A.J. Skumanie hydrodynamickych parametrov vznasajucej polydisperznej vrstvy // Proc. 2^nd International Scientific Conf. "Effective production, transmission and consumption of energy". – Kosice - Herl'any (Slovak). – 2000. – P. 147 – 151.

11. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. Частичная замена природного газа в нагревательных печах газом термической переработки биомассы // Труды научно-технич. конф. "Запорожсталь – 2000". – Запорожье: Запорожсталь. – 2000. – С. 74 – 75.

12. Губинский М. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. Частичная замена природного газа газом пиролиза биомассы // Материалы международной конференции "Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века". – Москва, МИСИС. – 2000. С. 45 – 46.

13. Shishko J. Velosity of particle floating in the polydispersed biomass layer // Proc. "Materialy i Technologie XXI Wieku". – Katowice (Poland). – 2001. – P. 171 – 172.

14. M. Gubynskyy, A. Usenko, V. Shishko, T. Vvedenska. Estimation of greenhouse gases emission for energy production in Ukraine // Procuding of the Fifth International Biomass Conference of the Americas, Orlando, Florida, USA, September 17 – 21, 2001.

15. Mykhaylo Gubynskyy, Shishko Julia and Usenko Andrew Utilization of Biomass as Heating Agent for Thermal Furnaces // Proc. of the 1^st Internation Congress on Biomass for Metal Production and Electricity Generation, 8 – 11 October, 2001, Betlo Horisonte, Brazil, – CD-card Produced by PLUS informatica 55–31–3422–8882.

16. Спосіб переробки відходів біомаси: деклараційний патент на винахід № 47212А від 17.06.2002; МПК 7 F23G7/00/ М.В. Губинський, Ю.В.Шишко, А.Ю. Усенко //Український інститут промислової власності.

17. Анализ экологической эффективности процессов основанных на использовании биотоплива / М.В. Губинский, А.Ю. Усенко, Ю.В. Шишко и др. // Тез. докл. международной конференции “Энергия из биомассы”.– Киев. – 2002. С. 27-30.