Анотація до роботи:

Усенко А.Ю. Вдосконалення процесу окислювального піролізу біомаси з метою зниження емісії парникових газів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена розробці технології енергетичного використання біомаси в промисловості з метою зниження витрати палива, що видобувається й емісії парникових газів.

Розроблено екологічний критерій, що дозволяє об’єктивно порівнювати біоенергетичні технології незалежно від виду і якості замінного палива. Подано аналіз зниження емісії парникових газів в атмосферу при заміні паливних корисних копалин біомасою.

Здійснено дослідження властивостей відходів біомаси як енергетичного палива. Проведено експериментальні дослідження процесу піролізу біомаси в потоці гарячого повітря. Розроблено спосіб двохстадійного процесу піролізу відходів біомаси. Запропоновано варіанти реалізації окислювального піролізу в стабільних умовах.

Розроблено та адаптовано к реальним умовам математичну модель процесу піролізу біомаси у потоці гарячого повітря.

У дисертаційній роботі вирішена важлива науково-технічна задача – підвищення ефективності і надійності нового двостадійного процесу термічної обробки біомаси методом окислювального піролізу в потоці гарячого повітря. Розроблена методика визначення екологічної ефективності енергетичного використання біомаси. Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки й узагальнення:

1. На основі аналізу літературних джерел встановлено, що основними параметрами при обранні технології енергетичного використання біомаси є економічні й екологічні критерії, у тому числі, які визначають зниження викидів парникових газів. Останні вимагають уточнення з метою об’єктивного порівняння різних технологій і обладнання, які використовують різні види біопалива.

2. У роботі запропоновано новий показник питомого зниження викидів парникових газів _СО2, на основі якого розроблена методика, яка дозволяє здійсніти аналіз екологічної ефективності енергетичного використання біомаси, що дозволяє врахувати комплексний вплив виду і якості замінного палива на емісію парникових газів і ККД теплових агрегатів.

3. На основі розробленої методики визначені діапазони показників питомого зниження викидів парникових газів при заміні паливної корисної копалини на біомасу з використанням технологій прямого спалювання, газифікації і піролізу в умовах України. Встановлено, що найбільш ефективними є технології прямого спалювання. Технологія окислювального піролізу в потоці гарячого повітря наближається до них і є конкурентноздатною з погляду екологічної ефективності. Вона відрізняється низькими капітальними й експлуатаційними витратами, а також меншою собівартістю отримуваної енергетичної продукції за рахунок виробництва супутніх продуктів.

4. Здійснено експериментальні дослідження властивостей відходів біомаси (соняшникова лушпина, гречана і рисова лузга), як енергетичного палива, а також визначено: характеристики гранулометричного складу відходів біомаси, межі існування щільного, стійкого киплячого і зваженого шарів, дані про величину віднесення частинок біомаси з киплячого шару.

5. Розроблена і виготовлена в умовах лабораторної бази кафедри промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України пілотна установка піролізу дрібнодисперсних відходів біомаси в потоці гарячого повітря, на якій здійснені експериментальні дослідження. Встановлено, що процес піролізу біомаси в потоці гарячого повітря має часові обмеження щодо обробки частинок, які пов’язані із загорянням відходів. Експериментально визначена залежність граничної тривалості термічної обробки біомаси в потоці гарячого повітря від температури теплоносія, що подається.

6. На основі експериментальних досліджень розроблений спосіб двостадійного процесу піролізу відходів біомаси: початкова стадія – нагрівання і частковий піроліз біомаси у зваженому шарі, і кінцева стадія – процес розкладання у щільному шарі (Деклараційний патент України на винахід № 47212А від 17.06.2002; деклараційний патент України на корисну модель № 14328 від 15.05.2006). Запропоновано технологічні схеми реалізації окислювального піролізу в стабільних умовах, що виключають загоряння відходів при організації висхідного руху газосуспензії і при організації спадного потоку газу і біомаси.

7. Розроблено й адаптовано к реальним умовам математичну модель процесу термічної обробки біомаси в потоці гарячого повітря, що забезпечує визначення температур газосуспензії з погрішністю до 15%. Модель використана для дослідження першої стадії процесу піролізу дрібнодисперсних відходів біомаси у зваженому шарі і враховує теплообмін між частками біомаси і повітрям, розкладання біомаси та її сушки.

8. На основі чисельних досліджень нагрівання відходів біомаси у зваженому шарі зі спадним і висхідним рухами газосуспензії визначен вплив температури повітря, його швидкості, питомої витрати біомаси, довжини робочої камери на процес піролізу різних видів біомаси. Зокрема:

– встановлено, що основний вплив на кінцевий результат має тривалість обробки, обумовлена швидкістю потоку, довжиною піролізера і співвідношенням водяних еквівалентів повітря і біомаси, а ступінь розкладання відходів біомаси у зваженому шарі складає не більш ніж 5-6 %;

– на підставі узагальнення розрахункових досліджень отримані регресійні залежності температури нагрівання біомаси від її питомої витрати, довжини піролізера, швидкості потоку, температури повітря для схем реалізації процесу з висхідним та спадним потоками.

9. На основі результатів чисельних досліджень розроблені:

– рекомендації щодо вибору технологічних параметрів процесу окислювального піролізу і конструктивних розмірів піролізера, що забезпечують нагрівання біомаси в потоці до температури, необхідної для початку автотермічної реакції на другій стадії процесу;

– технічне завдання на проектування дослідно-промислової установки з переробки дрібнодисперсних відходів біомаси шляхом піролізу в потоці гарячого повітря потужністю до 100 кВт, з очікуваним економічним ефектом за рахунок економії природного газу – 18 тис. грн. і строком окупності до двох років.

Основний зміст дисертації опубліковано у наступних наукових працях:

1. Усенко А.Ю, Грек А.С, Губинский М.В. Определение технологических возможностей реализации процесса окислительного пиролиза мелкодисперсных отходов биомассы // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. – Харків: НТУ “ХПШ”, 2006. – № 2. – С. 126-130.

2. Усенко А.Ю., Грек А.С., Шишко Ю.В. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса окислительного пиролиза // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. В двух книгах. – Книга вторая. – Днепропетровск: Пороги, 2005. – С. 356-362.

3. Усенко А.Ю., Грек А.С., Шишко Ю.В. Экспериментальные исследования пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. В двух книгах. – Книга первая. – Днепропетровск: Пороги, 2005. – С. 423-431.

4. Грек А.С., Усенко А.Ю., Губинский М.В., Шишко Ю.В. Исследование термического разложения биомассы в окислительной среде // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. – Харків: НТУ “ХПШ”, 2005. – № 2. – С. 110-114.

5. Усенко А.Ю., Губинский М.В., Шишко Ю.В. Математическое моделирование процесса пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск: Пороги, 2004. – С. 85-92.

6. Усенко А.Ю., Губинский М.В., Федоров С.С. Методика исследования процесса пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Інтегровані технології та енергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал. – Харків: НТУ “ХПШ”, 2004. – № 2. – С. 130-134.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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: Сборник научных трудов Национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск: НМетАУ. – 2000. – Т. 3. – С. 158-165.

11. Губинский М.В., Хейфец Р.Г., Унтилов В.Ю., Усенко А.Ю., Степаненко В.Ф. Энергетическое использование органических отходов промышленности и сельского хозяйства // Проблеми економії енергії. Вісник державного університету “Львівська політехніка”. – Львів, 1998. – С. 179-182.

12. Спосіб термічної переробки відходів біомаси: деклараційний патент на корисну модель № 14328 від 15.05.2006; МПК (2006) F23G7/00/ Національна металургійна академія України // Український інститут промислової власності.

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

14. Губинский М.В., Усенко А.Ю., Грек А.С. Процесс получения топливного газа путем пиррола биомассы в потоке горячего воздуха // Материалы Второй в Украине международной конференции “Энергия из биомассы” – Киев: НАН Украины. Институт технической теплофизики. Научно-технический центр “Биомасса”. – 2004 – С. 204-206.

15. Усенко А.Ю., Губинский М.В., Грек А.С. Развитие процесса окислительного пиролиза биомассы в потоке горячего воздуха // Сборник научных статей к V Международной научно-практической конференции “Проблемы сбора, переработки и утилизации отходов” / Центр научно-технич., экономич. информации. – Одесса: ОЦНТЭИ, 2004. – С. 401-406.

16. Губинский М.В., Усенко А.Ю., Шишко Ю.В., Губинская Д.А. Анализ экологической эффективности процессов основанных на использовании биотоплива // Материалы Первой в Украине международной конференции “Энергия из биомассы” – Киев. НАН Украины. Институт технической теплофизики. Научно-технический центр “Биомасса”. – 2002 – С. 27-29.

17. Губинский М.В., Мамон Э.Н., Овчаренко Ю.Н., Усенко А.Ю. Вопросы эколого-экономической оценки эмиссии парниковых газов при производстве энергии в Украине // Тезисы докладов: Четвертый Международный симпозиум “Механика эластомеров – 2001”. – Днепропетровск: НАН Украины. Институт геотехнической механики. – 2001 – С. 29-31.

18. M. Gubynskyy, A. Usenko, V. Shihko, 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. M. Gubinsky, Y. Shishko, R. Cheifetz and A. Usenko Biomass pyrolysis of organic waste in rarefied layer/ Biomass. A Growth Opportunity In Green Energy And Value-Added Products/Proceedings of the Fourth Biomass Conference of the Americas, Vol 2. – 1999. – P. 1209-1214.