автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Биогаз и его рациональное использование в тепловых установках

ЛЕНИНГРАДСКИЕ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕЗОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО гНАМПГ.1

.'пганЕРНо-стРситЕХЫг:" жгшт

На прптзях рукописи

МАРИНЕНХО Елена Егоровна

БИОГЛЗ И ЕГО РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАН-. ¡Е В ТЬЖОВШ УСТАНОВКАХ

05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учено:' степени кандидата технических наук

Ленинград - 1931

Работа выполнена на касТедре "Теплотехника и газосноб-пение" Ленинградского ордена Октябрьской революции и ордена Трудового красного знамени инкенпрно-строительиого института.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Г.П.Комина Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор А.С.Иссерлин,

кандидат технических наук, доцент Б.И.Чеботарев

Ведущая организация: ЛенГШРОШЕПРСЕКТ

Защита диссертации состоится 25 июня 1991 г. р/5час.^мин.

на заседании специализированного Совета К.063.31.03 в Ленинградском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте по адресу:

158005, г.Ленинград, 2-я Красноармейская ул., д.4, Ленинский

»

зал.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.

Автореферат разослан 24 кэя 1991 г.

Ученый секретарь лепиялизированного Совета, кандидат технических; наук, доцент

Г.П.Комина

ОЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем, связанных о защитой окружающей среды от загрязнений, является удаление и рациональное использование бытовнх, промышленных, сельскохозяйствен}" и и других отходов. Возросшие требования я охране окружающей среды, возрзстащая стоимость переработай отходов, нестабильность цен на ископаемые энергоносители и новые достижения микробиологии возродили интерес к анаэробной переработке биомао-сы, общие запасы которой на Земле составляот 3836 млрд. т о энергосодержанием 27500 млрд. ГД«, что эквивалентно 640 млрд. т нефти.

В последние года развивается международное сотрудничество по проблемам обезвреживания и утилизации различных отходов. В числе перспективных направлений энергетической'утилизации отходов отмечается производство биогаза в заводских реакторах и наработка биогаза яа свалках отходов, при этом решаются задачи по созданию оборудования для выработки, очистки, оптимального складирования, транспортировки и использования биогазов.

Работа пповодилаоь в рамках научночасследовательской программы ГКНТ СССР по проблеме 0.01.08, предусматривающей создание и внедрение солнечных, геотермальных и других установок и устройств для производства теплеть« и электроэнергии, подзадания 04.01 - "Разработать и создать газогорелочрае устройства о более высоким КПД и минимальными выбросили вредных веществ" я комплексной программы использованля возобновляемых источников энергии на 1991-1995 годы Комитете Правления Сопза 1Ш0 СССР по возобновляемом источникам энергии.

Использование биогазов, получаемых из биомассы различного

происхождения, как дополнительного, возобновляемого источника энергии весьма перспективно. Применение биогазовых технологий обеспечивает не только экономна традиционных ископаемых топ-лив, но и способствует решению экологических задач, связанных с очисткой и обезвреживанием промышленных, городских и сельскохозяйственных отходов. Большие потенциальные ресурсы биогазэ^ а адкхе энергетическая ценность делают возможным его использование в качестве энергоносителя в тепловых установках. Следует отметить, что приводыиые. в отечественной литературе сведения об исследованиях в области переработки биомассы касаются в основном технологических аспектов производства биогаза, в то же время практически нет систематизированных данных по составу, свойствам, характеристикам горения, способам отчгания биогазов. В связи с этим исследования, направленные на изучение вопросов рационального использования биогаза в тепловых установках, являются актуальной научно-технической задачей, имекщей экономическое и социальное значение.

Цель и задачи работы. Различие в'свойствах биогаза и других газообразных топлив приводит к необходимости разработки ■ газого'релочшх устройств (ГГУ), позволяющих осуществить устойчивое горенке бпогзза с минимальным количеством вредных примесей в продуктах сгорания. Для создания экономичных и экологически чистых установок,' кспользугадих бкогаз или его смесь с природным газом потребовалось проведение комплексных исследовании как самого бпога.за, так V продуктов его сгорания. Комплекс иссле-дованг.2 был яаярьдяея' на выполнение следующих задач:

1. Исследование свойств баогазов, полученных путгм анаэробной ферментации бвсмассн различного происхождения.

. 2. Исследование характеристик горения бгогаза и его сме-

сей с природным газом.

3. Исследование влияния состава биогаза на содержание вредных компонентов в продуктах сгорания.

4. Определение характера влияния добавок биогеза к природному газу на образование и количество вредных компонентой в продуктах сгорания.

5. Разработка и исследование универсального газогорелоч-ного устройства для сжигания биогаза.

6. Разработка рекомендаций по тепловш и технологическим схемам биогазовых установок и утилизации энергии биогаза.

Научная новизна. Проведена классификация биогезов. Установлены состав и свойства биогазов в соответствии с их классификацией. Экспериментально и теоретически, с использованием ЭВМ, исследованы основные характеристики горения биогаза и его смесей с природным газом, получены аналитические зависимости пределов воспламенения и скорости р-эсяространения пламени биогазов. С пршенением математического моделирования кинетики процесса горения и электронно-вычислительной техники исследованы закономерности образования оксида углерода и оксидов азота при сжиганш биогазов и природного газа. Экспериментально установлены основные характеристики газогорелочного устройства с внутренней стабилизацией пламени и распределением вихревого факела в металлическом туннеле, выявлены оптимальнее нагрузки и резеимы, позволязэщи' обеспечить полное сгорание газов с минимальным выоросом вредных компонентов.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработаны технологические схемы биогазояых установок, позволяющие осуществлять комплексную ут/яизашш биогаза и

вторач1шх энергоресурсов. -

Результата l1CCлe.■r^oт^.r^p,!!, испсльзотни ОКБ Tworn биологического машинострорния при разработке способа сжигания топлива (класс Ж! Г 23 А 3/02, заявка 1! 4828276/0G); методики определения рабочих характеристик вихревых горелок с внутренней стабилизацией пламени; методики расчета вихревых горелок с внутренней стабилизацией пламени; типового ряда гс.релочных устройств "Горелки для вихревых энерготехнологичсских агрегатов"; мероприятий по доводке вихревого топочного модуля ВГ-15У мощностью 15 МВт-на Башкирском <5иош*чческом комбинате(г.Благовещенск, БАССР). Выполненные работы являются основанием для проведения Государственных приемочных испытаний базового образца топочного модуля в составе сушильной установки по иеа-лпзадап малоотходной технологии получения сухо? биомассы активного ила очистных сооружений Башкирского БЗйС. О-кидасглий экономический эффект от внедрения топочного модуля составляет 65,35 тыс. руб. в год..

Рекомендации по утилизации биогаза внедрены в проектные проработки Харьковского отделения института "Атомэнергопроект" и Харьковского НПО "ЭКОНТ" при суике осадка, образующегося в системах технического водоснабжения Шно-Украинской п Запорожской атомных электростанций с ожидаемым экономическим том 124,2 тыс. руб. в год.

За разработку и изготовление горелки для низкотемпературного вихревого сжигания топливе бвтоо в состава коллектива р&зрабогчикоь удостоен серебряной медали ЗДКХ СССР (постановление Главвыставкома ВДНХ СССР II 250 от 19.12.90).

Основные результата райотн используются в ЛИСИ при чте-ети ¿екцу.б по курсу "Газосивб^смие", в днпле:::ю:.". пропктпроза-П7.7. по ссе^иальносте 2&07, при'проведении УИРС.

Апробация работы. Основные результата работа далохенн, |боуадени п одобрены на 45, 46, 47, 48 научных конференциях ШСИ (1988, 1989, 1990, 1991 ?г.), научно-технической конфг->енши ВолгИСИ (г.Волгоград, 1988 г.), Всесоюзном научно-тех-шческом совещании "Повышение качества сжигания топлива и ох->апь окружающей среда от загрязнения вредпшш выбросами ТЭС и ¡рупнши промпредприятиячи" (г.Казань, 1988 г.), II регоиналь-юй яауч'яо-техялчеокоЯ конференции "Проблем охраш окружающей :рвды Дальнего Востока" (г.Хабаровск, 1989 г.), паучяо-технп-тской конференции "Охрана окрузащей среда и рационального юпольчоврчия ресурсов" (г.Новополоця, X9S9 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовало 6 печатпых забот, в то« числе обзорная Ьпфсу/лцяп "Экологпчесхпв аспекта юпользобогшя биогаза в СССР и за рубезоы" объемом 2,5 уч.-изд.л.

Структура и объем работа. Диссертация состоит пз введения, тти глав, обцих выводов, списка литературы, приложений. Дпо-зертавдя изложена на 130 страницах мавипописпого текста п со-хераит 13 таблиц, 48 рисунков, список литературы пз 163 наименований, в том числе 42 иностранных, 4_ приложения.

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЗАНИЕ. ДИССЕРТАЦИОННОЙ РЛШТЫ

Под биогазами подразумевается иетатеодержациа газа, кото-зыо образуются при анаэробном разлояении оргвничеокого субстрата. В зависимости от источника получения биогазы подразделяется на 3 основных вида:

газ метантеннов, получаемый па городских очпетша папалп-эациопных сооружениях; ^

газ, получаемый при образования огуодоз сельскохозяйственных производств;

- С -

газ со свалок.

Состав а количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. Обобщение имеющейся опубликованной ияформаци! и результатов собственных экспераысяталышх исследований позволило уточнить диапазон изменения состава биогазов в соответствии о приведенной классификацией (табл.1).

Таблица I Классификация и состав биогазов

Содержание компонентов, % об.

Ксиповента Газ метан- Газ сельско- Газ ее свалок

биогаза . теяков хозяйственных Ш.. * на глубине бурений 0,4-1,6 а литеоатур-кые данные

®4 60-65 55-75 10-58 0-85

со2 34-16 44-27 20-37 0-88

■ А/2 0-3 0-3 4-65 0-82,5

■ «2 " - 0,01-0,02 0-0,3 .0-3,6

СО - 0,01-0,02 - -•

ДО 1.0 • • до 1,0

NH* О - до 300 кг/ы2 - -

N0 - ■ 35 мг/м3 - -

С20Ы12 до 23 кг/к3 -

- 1,73 ми/и3 - -

■ дал 1,63 мкг/i 43 - -

По имевд^вдся ■кшкяев'гаоыу составу прозедека оценка города свсЯо-гз сисгаза. Пооксдьяу аоиоващ roasтчт компоазнгом биогазг. яшютоя метав, предел« зоотязканеяха оисячпа в ясзду-

хе 2арйц»тхш> 0 жшсиьзов&лмчл спуйл-т.сазнйых зкокгояйсят®^-

ata данных А.С.Иссерлиаа, НЛ.Стаскевгча для забалластированных метановоздуиных смесей. После математической обработки результатов получены эмпирические зависимости для концентрационных пределов воспламенения биогаза в воздухе:

£вг > ¿щ/"-<**> •

где 4г- верхний или нижний предел воспламенения биогпза, ¿c¡u - верхний или нижний предел воспламенения метена в смеси с воздухом,

« - доля баллаотяых ярамесей в биогазе; О- - эмпирический коэффициент; для нимнего предала воо-пламенеачя йи» 1,12; для верхнего ata 0,7.

Воспламенение смеси бяогаз-воздух в стехисметричесхом соотношении возможно при содержании мзтана в бяогазе на иепее 23f5$ по объему. Приведенные выше данные по составу бясгзэоз подтверждают возможность их использования в различных топлязо-исиользущих установках.

Одним из направлений утилизации биогаза является подпитка биогазсм сетей природного газа, В этом случае важно запенить степень раабавдевия природного газа бкогазом, поззоляюцуи осуществлять эффективное и устоЯчивое скитание смеси в ojujecnr/»-¡цюс газогорелочяых устройствах. Поэтому исследование характеристик горения проводилось как длл биогаза, тш и для смесей природного и биогаза в пролоршшх "бяогаз:природнкЯ газ", рапных 1:0, 3:2, 3:1, 2:1, 1:3, 2:3, 1:2, 1:4, 1:9. 0:1. Предварительно характеристики горения устанавливались расчетами: по известному составу смесей с использованием общепринятых азалятл-чееккх зависимостей. Разработана я реализована арограиые вэтис-ленгя'на ЭВ;л плотности смеси, низшей н выспей теплоты сгорания,

числа Воббэ, гаропроизводительности, расчета процессов горения в диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха от 0,6 до 5,0, Как показал анализ литературы, на большинстве существующих уотаяовок для получения биогаза подробный анализ состава газа не производится, контроль функционирования метанообраэую-щих бактерий осуществляется по количеству метана в продуцируешь газе. В связи с этим в качестве определяющего параметра при раочеге свойств и характеристик горения было выбрано содержание метана в биогазе, которое варьировалось от 55 до 85% по объему. Результаты расчетов представлены в диссертации таблицами и графически. Такое представление позволяет сразу, по количеству СН4 в биогазе и известному пропорцяонированию в смесях природного п бяогаза, определять все основные показатели, характеризующие, процеоо горения. При различном содержании метана значения основных характеристик изменяются в следующих предела: плотность 1,27-0,69 кг/и3« относительная плотность по воздуху 0,88-0,69; низшая-теплота сгорания 19,71-30,46 ВДж/м3; вксшая теплота сгорания 21,92-33,88 ВДа/и0; 'теоретически необходимый расход воздуха для горения 5,23-8,08 м3/м3; карспроизводитель-нооть' 1856-1995 °0; энтальпия сухих продуктов сгорания 38454127 кДж/м3; максимальное количество С02 в продуктах сгорания 19,12-13,28 Псшмо этого рассчитана объемы продуктов сгорания, графически представлено содержание С02 в газовоздушяых > смесях и в продуктах сгорания при различных коэффициентах избытка воздуха, что позволяет определять оС по содержанию С02 при проседании вксаердаеятаяышх исследований по горению.

йарао.1 представлачы графики изменения значений числа ВобОа для снеоей бяогаэа в природного газа и нижняя грангца ' "чачешй числа Воббе для природных газов. Из рисунка видно,

что ярд подпитке сетей природного газа биогазом и применения оуществущих ХТУ допускается разбавление биогазом в количество ие более 10 %■. В остальных случаях необходимо применение специальных горелок, разработанных для биогаза.

Изменения в составе бпогаьа влияют на устойчивость горелая, которая тесло связана до скороотыэ распространения пламе-пз. На рис,2 приведены литературные дашше (зависимости I и 2) а р^зуяитаты собственных экспбртлентальвнх исследовании (завис :мость 3) по определению иормальпой скорости распространения пламени динамическим цетодом по размеру поверхности конусного фронте пычсаи на лабораторной установке, После математической обрабогаг результатов получена эмпирическая формула

0,4г 5.5,

где и и- портальная скорость распространения пламени бпога-за, сд/о;

С^уг содержание метана в1биогазе, % об.

Нормальная скорость распространения пламени биогазов язме-нлетоя в диапазона 19-28 см/с, это влечет за собой уменьшение скорости, при которой происходит отрыв пламени, почти вдвое по сравнения о природным газом. Следовательно, при сжигании биога-зоэ требуется применение надежных методов стабилизации пламени.

Для оценки элпянпя примесей, присутотв^-ацтас в бяогазе, на экологические показатели горения йыю проведено детальное исследование процеоса на молекулярном уровне с применением математического моделирования. В качестве математической модели для описания процессов горения биогазов избрана сиОтека зеохюос дифференциальных уравнений вида /

СиогаЗа; 1,2 -.литературные данные, 3 - экспериментальна, ч зависимость

- 13 -

где ffi - концентрация' i-ro реагента, ¡голь/см3;

* ™ кинетические константа окорсстей хижчвоппк реазс-Н230 для мояомоленулярннх, бы-лонэкулярянх и тримолекуляряш. рэдащй размерности сти3/(коль*о), см®/(моль - о) соответственно;

Т - время, с. В яшеотческвй мехечизм процесс^ горения отоотены 105 адемэвтарянх рэажцрй горэння углеводородных составляющих топ- • ятаа, водорода!, онсзда углерода и образования "термических", "бнстрнх" а игоадяэЕихп сесвдоз азста с участием 30 ясмполел-S0S2 ОЧ0 HgO, 02, 0Э Н02о СН3, HgCO, СНг, НСО, СО,

С02о CHsG„ HgOgo Я2а Я ,M08MAM0s, HCtf, CN.NCQ ,

JtfM » MFSc NB,* Коиегаяты'Ьаороста рзэдшй определялись из уравнения Арреннуса, Прздлскеашй механизм s значения хююттпес-íísjc параметров зыбреда после тщательного анализа ж сопоставлен . вш различных литературных данных г приведения залитая к единой .сгстеме измерений.

При разработке математической модели принята некоторые допущение Рассматривалось кияетичеснСэ горение предварительно пзрекегсанноД газозозлушой смеса. В' качестве топлива расс«отрэ-

лрзродный газ; ' ' йяогаэ (СН4 - 60& С02 - 38%; N2 - 1%, 0¿ - 1%)-, бэогзэ о лрямэогга 0,004$ ЯНд;

йногаз о примесью O.OOtí ЦН3 л 0,00085? N0 ,; •

смесь природного газа п баогаза в поопорции ПГ:БГ » 1:1. Температура принималась постоянной и рависй температуре горения: для природного газа Т = 2200 К, для биогаза Г ° 1890 К, для смеса природного и биогаза Т а 2050 К. Количество гоздуха,

Подаваемого для горения, соответствовало отехиоиетрическоыу соотношении.

Решение оистеиы ввлоянедс по методу Гира на персональной ЭВМ с использованием стандартной подпрограммы ШРР* аа языке ФОРТРАН, опробований применительно к решению задач химической линетики и доработанной для использования в расчетах горенш.. Расчеты кинетики горения проводились с внводоа на печать промежуточных коШеятраций до моменте времеш, когда процесс выгорания наиболее "медленных" компонентов, образовавшихся после раз-лоаения углеводородных составляющих, практически завершен, : . содержание СО2 в продуктах сгорания выравнивается и достигает

максимума. Таким образом, рассмотрены поодеосы, протекащие де-

<

посредственно з зоне горения. По результатом машинных расчетов : построены графики, наглядно иллюстрирующие продеос разложения походных а образования новых компонентов. Один пз такчх графиков, для биогаза, не содержащего примесей аммиака и оковда азота, представлен на рио.З. Во избежание загромождения рисунка па графике представлены лишь основные пр'одукты реаддий С0£, Е^О, а тгиае СО. N0, И0А л компоненты, влшодие на их образ-эра-яке: ЛН , НСН , ЯСО, о , Н02, СМ. К моменту времена окончания расчета ( ^»0,5 о) оодержаяив СО2 достигло 15,53^, причем концентрации непрерывно возрастают до 15,52% при . . «0,1 о, а ватбм выравниваются.- Аналогичная картина набяэта-. отся в образовании Н^О; непрерывный роох до 17,2452 при с последущеЕ медлезной дасооциадаей до 17.16Г Ери "£"«0,5 с.

Иякэнсивное образование СО начинается с момента времени Т-КГ5 г достигает максимума А, 41% при далее про-

V всходит 1аедленя<?е внгоршшв до 1.28-1СГ% к моменту с.

"Лбсшээтяое с одевание СО при сгорании биогаза примерно на Го-

-1°-S -t -J -i -u -« -5

13 ío a io ta ta o ra

ш щ, о да ti® до ¡'Ш и f У? ees,

Bio.3. Результата машинного расчета кинетики процесса горения биогаза без азотсодержащих добавок

104 Я*1

ííoa ко %

Í3f

П№1И

«Г fí"4 ;з' ~ltfr~~~Xc \

Btc.4. Образование оксидов азота ггра сжигаяип природноео газа, биогаза и ах сиэся

рядок меньше, чем прл горении природного газа к моменту времени, близкому s завершении процесса горения, что можно объяснить большей "эатяяутоотьв™ процесса горения биогаза.

Сравнительная картина образования оксидов азота для природного газа (ПГ), биогаза (ЕГ) и их смеси пртшедена на рио04. Хараатер нарастания концентрации диоксида азота совпадает для ПГ н ЕГг сначала нде-г медленное возрастание до 3,05-ПГ6$ при Т »Ю"3о у ПГ и 3,66 при €"sIO~2c у ЕГ, а затем резкое увеличение к моменту €"=0,3 о до 2,69-Ю"5^ у ПГ к 1,81-IO"5^ у ЕГ. Подобие кривых МО сохраняется вяачалэ горения, ксгдв аде® образование "быстрого" оксвда азота.'Это происходи« для ВТ в-ышввя 'ТМ)1,5-10*5о (увеличение до 1,25-ХО-2^ и для ЕГ прн <t"=IO~^o (увеличеягш до 7,21 -Ю-^. В пооледушие момеп-гы иреазня содержание МО для ЕГ увеличивается незначительно в и Я «=0„3 о содержание МО составляет 2,4-Ю"2^. Таким образом, одве? во Бремена образования МО в ЕГ без азотсодержащих добавок привода® в онкаешш "быстрых" оксидов азота в 2 раза, при sscij суммарное количество ЯО сокращается танке почти в 2 раза. Сравнена® результатов расчета для биогаза, не содержащего прк- ' ыеоай, ы биогаза с добавками показывает, что характер изменения иоацэаграциа bosk компонентов сохраняется, однако количество ехездов азота пра' добавлении в газ NHe и КО. возрастаем на шякчину, равную первоначальному содерайишэ их в бногазе« Прирост вовдептрадаз МО ироисходит на участке образования "бнет-рэго" оксида езотае на Еыходе its sohh горения. Общее количество. оксидов азота при сгорании биогазов ниае, чем для природного газа вследствие уменьшения температуры горения и скорости реакций, приводящих к образованию М0Л, В момент времени ЯГ=0,3 о содержание N0 для ЕГ без добавок на 652 и N0a на 5С$ меньше,

>

- г? -

чем при сжигания природного газа. Добавка биогаза к природному газу в пропорции БГ:ПГ = 1:1 даег снижение уровня N0 на 45$ н на 22%, Даже для биогазов, содержащих принеси выход оксидов езота низе, чем у ПГ, на 415? N0 п на 155? Я02о Соответственно, для биогаза о примесями п Я О это снижение составляет 35$ Ш я Г7„5£ М0г. Следовательно, добавку баогаза к природному можно рекомендовать как одна из опособов онижения выхода онеягоя азота при горении.

С целыэ проверки расчетных результатов выполнены экспериментальные -исследования, для проведения которых был разработай кокпяеяояыа экспериментальный отевд, позволящий осуществить: отбор и подготовку к анализу проб биогаза и продуктов его сгорания от лабораторных и опытно-прогшшланных установок, анализ ХЕмичеояогб ооетава биогаза п продуктов сгорания, исследование свойств биогаза, его основных физических п теплофизичеснюс характеристик, подготовку газа-заменителя, исследование основных характеристик горения бпогаза, испытание опытных образцов разработанных газогорелочных устройств, иатеиатпческуэ обработку данных измерений. Экспериментальная установка подразделяется на отдзжышв блоки, пртцттльвая схема когшоаовт вовх блоков стенда приведена на рис.5. Штриховали линиями па схема показаны отдельные блоки, стрелками обозначена связь медду блоками (передача газа, продуктов сгорания на анализ, ззиеряеьше величины информация на обработку и т.д.): 1,П- лабораторная и отге-яо-проыышленная установки для получения биогаза; Ш - блок приготовления газа-заменителяг 17 - лабораторная установка для исследования процессов горения баогаза; 7 - огневой отепд для исследования процеооов горения в дутьэвнх ГГУ; 711 - блок отбора проб для анализов на содержание НО, N0,, Н35, МИ,; 7Ш -

ловка для отбора и подготовки проб для анализа па содержание бенз(а)пиреяа; IX - блок отбора проб для анализа на содержание /V-яитрозосоединешй; X - блок измерения плотности п влажности газа; II - блок измерения теплоты сгорания; ХП;ХШ - блоки хро-матографического и химического анализа; Х1У - блок термометрия; ХУ - лаборатория скрининга канцерогенов; ХУ1 - блок обработки данпых. Все лзиерешы проводились в соответствии о требованиями стандартов. Отбор проб для анализа на содержание бепз(а)пи-рена осуществлялся на взвешенный ело!! оксида алюминия в пробоотборник усовершенствованной конструкции.

Анализ данных по количеству, свойствам и характеристикам горения биогазов приводит к выводу о необходимости применения способов сжигания биогазов в универсальных топочно-горелочных устроЗотвах, отличающихся высокой устойчивость» работа в широком диапазоне изменения как избытка воздуха, так и содержания горюч ¡к компонентов и балласта, минимальной-эмиссией вредных веществ, иалшди размерами и металлоемкостью, высокой экономичностью. Автором разработан способ сжигания топлива (класс МКИ Р 23 Я 3/02, заявка Л 4828276/06) в газогорелочвои устройстве о внутренней стабилизацией пламени. Конструкция горелки, схематично представленное на р:ю.6,.обеспечивает двухзонную последова-тельнув подачу воздуха для горения. Проточная час :ь горелки, заключенная соосно в воздухораспределительном корпусе I, состоит из тангенциального лопаточного заедарителя 2 и выходного сопла 3. Корпус оснащен тангенциальным- входным патрубкам 4 и имеет с одной отороны плоскую торцевую стенку, е с другой выходное окно. Сопло установлено в выходном окне корпуса с кольпевнм зазором. На торцевой стенке корпуса по оси горелкч размещен узел 5 подачи топлива с запальным устроЗством 6. Газ подается яв га-

\ 1ГГ

\

В)с.6. Схеуа вихревой горелки с внутренней стабилизацией плакенк. I -^ распределительны?, корпус, 2 - тангенциальный лопаточный завих-ритель, 3 - выходное отверстие, 4 - тангенциальный подвод, 5 - узел подачи топлива, 6 - запальное устройство, ? - первичный воздух, 8 - вторичный воздух. 9 основной *акел,

10 - запальный факел иг.и' иг-к5 *гМ3

- природный газ

дониом

и> 1,1 1,2 1,3 1Л 1,5 <,6 1.7 (,6 1,» КаБщ

Рис.*?. Содеркэние оксипок «пота и Се1п''а/пиренв г продуктах сгорания при работе па максиуаньяо?? ••= г ;>•.:• иг.

зовой камеры 5 через газсвыпусхнке отзерстая, расположенные на торцевой стеияе проточной часта. Первичный всздух поступает КЗ завихрителя 2 по стрелке 7 через ряд отверстий диаметром V т, количество которых можно регулировать, иторичянй воздух направляется через регулируемый кольцевой зазор по стрелке 8. Изменяя сечения входа для первичного и вторичного воздуха, могло изменять ойдиЛ коэффициент лэбнгла воздуха а текло козффи-ч пиенты избытка первичного c¿< и вторичного о1г воздуха.

При исследовании на огневом стенде вихревой горелки с внутренней стабилизацией были установлена предельные теаловде нагрузки для различных модификаций проточной части горелки, определены опгкмелыше рекимы с кинетическим сжиганием газа при ступенчатом подводе воздуха. Исследовании проводились es природном и биогазз с охлаждением в корне факела и в зоне гора кия ,и без охлаждения. Устойчивость горения при сохранении вихревой структуры племени не нарушалась в диапазоне тепловых нагрузок от 0,01 до 0,25 МВт. Шля установлены безразмерные характеристик!* ГГУ длл оптимальных режимов работы с минимальным образованием вредных веществ: соотношения диметров сопла и KgiiepK dcJdH ~ 0,СЬ к отншекия сечения входа первичного воздуха к поперечному сачеяшв кал еры сгорания Гвх/Г„- 0,083;, смешение дяшк факела к диаметру сопла L<?/dc - 2,5 для природного г р. за и Lpjdcs 3 ддя б:;'огаз1>. Ирм • оптимальных реязшах .работы ГГУ оС, изменялся от 0,25 до 0,75. а 0(^0? 1,С2 до 1,04 и от" 1,35 до 2,15. Полученные хараьтеркетикк жягсдьаоэдь ш л методике 'расчет тшсзого ряда яихре-гкх .горзлок о внучрсн-ней стабилизацией пламени.

Исследования продуй«» сгора«лгя дрсгосдагоь при оп?.ш>яа-яи:с нагрузках и диапазона cv 1,СЙ до 3,0. На рис,7 при-

\

ведены данные иослйдовьшй продуктов сгорания на N0 , М02, с20%2 П1Ш сжигании биогаза и природного газа с охлаждением п без охлавдения зоны горения на максимальной мощности горелки. При работе на биогазе при 1,02 ¿tfCSHi 1,5 выход N и7 не превышает 50 ыг/ы3, чти свидетельствует о хороших экологачес-ких характеристиках процесса горения. В реальной установке снижение N0 при сжигании ЕГ составляет 40% по сравнении с . ЯГ ( в расчетах по математической модели 65%). Выход N02 в среднем сокращается на 22,755." При оптимальных значениях коэффициента избытка первичного воздуха, равных 0,25 ^ 0,75, выход оксидов азота ш превышал значений 30 иг/и3 для ПГ и 17 иг/ш3 для ЕГ при изменении в пределах от 1,02 до

1,05 и от 1,35 до 2,15. Такое сяизение, на порядок по сравнении о известшии литературшшя данными, обеспечивается применением комплекса цетодов подавлена НОх; двухступенчатого подвода окислителя к зоио горения, естественной рециркуляции продуктов сгорания во. счет создания влтревой структура пламени, качественного смешения газа и окислителя за счет струйной водачи первичного воздуха, наличия водяных паров в составе бьо-гоэа. Уровень концентраций <5енз(а)пирена (Ш) составлял 23-36 нг/ц3 для ПГ, 21-31 пг/ы3 для ЕГ при работе па максимальных нагрузках и соответственно 19-24 нг/м3. и 16-21 пг/ц3 при ми-, шшальнмх нагрузках; т.е. замечается незначительное снижение содераашя Ш в продуктах сгорания ЕГ по оравнеюш.с ПГ, несмотря но больвов колдчес.во баллвотного СО2 в ЕС, что можно объяснять присутствием в биохазе водяных паров, оказывающих подавляющее воздействие на бенз(а)пирен. Исследования на со-дерзание СО s продуктах сгорания показали, что максимально допустимое по ГОСТ количество СО (до 0,01$) наблюдалооь в ш- .

роком интервале значений общего коэффициента избытка воздуха от 1,02 до 2,15.

Таким обрезом, исследованная горелка является универсаль-чым ГГУ, пригодным для сжигания газов не взаимозаменяемых, т.е. для биогазов и природного газа. Эта горелка работает устойчиво, без нарушения вихревой структуры пламени, с коэффициентом регулирования 5, при этом продукта сгорания получаютоя "экологически чистыми", т.е. с минимальным выбросов вредных веществ. Все это позволяет использовать вихревые горелки в сушильной технике, при термичеокой обработке навоза, влажных осадков, активного ила, в котельных установках различной мощности, в технологических печах, особенно с малым рабочим объемом, для обогрева теплиц, для сушки зданий и сооружений.

Для рационального использования биогаза разработаны тепловые и технологические безотходные схемы.

, - В установке термического обезвоживания донных отложений, образующихся в каокаде биопрудов системы технического водоснабжения АЭС предусматривается использование высшей теплоты сгорания Счогаза. Биогаз получаем в процессе совместного сбраживания в метантенке городских стоков и оырого осадка, образующегося в биопр^дах. Технологическая схема обработки осадка включает три стадии: анаэробное сбраживание с получением биогаза, механическое обезвоживание на центрифугах, термическая сушка с использованием высшей теплоты сгорания. По результатам теплового расчета процесса суши донных отложений, выполненного'для модульной установки о вихревой газовой горелкой мощностью 0,2 ¡4Вт, возиоаша осушка 150 кг/ч осадка до влежясста 40Х.

- Для рационального использования биогаза, получаемого

ери сбраживании отходов сельскохозяйственных производств разработана схема, обеспечивающая минимальный расход биогаза на собственные нуадц ЕГУ. Принципиальная схема ЕГУ включает процессы сбраживания жидких стоков объемом 500 м3 в сутки при влажности Э0# в двух биореакторах емкостью т300 м3, работающих в периодическом режиме. Для экономии биогаза предусмотрен нагрев воды на технологические нужды в контактном водонагревателе. Это дает возможность использовать высшую теплоту сгорания биогаза. В тепловой схеме предусмотрено использование в качестве низкотемпературного теплоносителя фугата после центрифуги. Схема утилизации энергии биогаза включает осушку и очистку газа от сероводорода, накопление газа в газгольдере для подачи его в теплицы. Для 'создания практически безотходной технологической схемы предусмотрена утилизация серы и углекислого газа. Сброженный осадок после центруфугования и сушки может использоваться в качестве удобрения.

- Разработана принципиальная схема сбора, транспорта, обработки и утилизации биогаза со свалок твррдых битовых отходов. Использование газа саалок после очистки от вредных примесей возможно в любых топливоскигащих установках взамен природного топлива. Разработана схема подачи газе с городской свалки Ни полигон "Красный бор"-г,Ленинграда, включащая га-эосборг;-ю разводку на свалке, газосборный пункт, пункт очистки газа, компрессорную установку, газгольдеры, факельную уста-аовху. Использование биогаза предусматривается для замены мазута на полигоне по термическому обезвреживанию жидких отхо-;ов в термических пвчах, расположенном на расстоянии I км от :валки. Предложенный вариант утилизации бпогаза со свалки по: -•оляет практически полностью заменить мазут, используемые в

термических печах, при одновременном сокпадении выбросов вредких веществ в атмосферу.

СЕЩИЕ ВШЮДЫ

I. Проведенные теоретические и экспериментальные исслвдог вания подтвердили, что применение биогаза как дополнительного^ возобновляемого, экпогически чистого источника энергии весьма, перспективно. Экономический эффект от использования биогазов выражается в экономии значительной частя невосполнимых природных ресурсов и снижении загрязнения окружающей среды»

2. Проведенные исследования свойств и диапазона изменения основных компонентов биогазов по источникам их получения позволили провести классификацию биогазов п установить- наличие в них примесей.

3. Для рационального использования биогазов и разработ^ ГГУ составлела программа расчета на ЭШ физико-химических свойств биогаза. Согласно классификации биогазов получены аналитические зависимости для оценки их гор чих свойств.

4. На основе разработанной математической модели кинетики процесса горения биогаза'установлены зависимости образования оксидов азота и оксида углерода в продуктах сгорания биораза, природного газа и их смеси. Наганные расчеты показали, 1то биогаз, очященннй от сероводорода, - экологически чистое ?опливо. По сравнению с природным газом количество N0, в проектах сгорания биогаза в 1,5-2 раза меньие.

5. Исследование харак-'чра влияния добавок биогаза к пригодному газу на характеристики процесса гореггая показало, что обавки биогаза приводят к уменьшен*® содержания в продуктах горапия СО, МО, М02, С20Н12.

6. Выполненные исследования показали, что длл устойчивого горения Сиогаза без химического недожога к с минимальным количеством вредных примесей в продуктах сгорания следует использовать вихревые ПУ со ступенчатым подводом воздуха и стабилизацией пламенн. Разработанное и испытанное универсальное ГГУ «сдат быть использовано для сжигания биогаза, природного газа И их смесей.

7. Рекомендации по рациональному использованию анергии биогаза в биогазовых установках позволили осуществить комплексную утилизацию бногаза и вторичных энергореоурсов,

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦЩ

1. Комина Г.П., Марзнеяяо Е.Е. Утилизация газа метантанков в котельных очиотных сооруяенирУТез.докл.Всесоюзь.науч.-техя.оовещ.-Л.,1988.-С.В1-82.

2. Комина Г,П., Ыариненко Е.Е. Использование биогаза для отопления культивационных соорунендРУ/Исследования в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха/Межвуз.сб. тр.-Л. 1988.-0,112-118.

3. Комина Г.П., Мар"»нрнк0 Б.Е. Очистка биогаза, получаемого анаэробной ферментацией отходов/Тез.дохл. П региональной науч.-техв конфер.-Хабаровск,1989.-С.48-50.

4. Комина Т.П., Мариненко Е.Е.', ШарсгхкмГ А.I. Теплоснабжение биогазовой установки/УСовершенствование систем теплогазо-счпбженид. и вентиляции/!.!<гжвуз.сблр.~Л., 1989.-С.6?-72.

5. Иаринекко Е.Е,, Комина Г.П. Экологические аспекты испо кованая бтогаза в СССР и за рубежом.-М. :ВНШЭгазпром,19Э0,-43с. ОбЪ.инфоры.Сер.Природный газ и защита окружающей среды.

6. Нсшна Г.П., Мзриненке Е.Е., ШкаровскиП А.Л. Методы утилизации энергии биогаза в установках переработки отходов сельскохозяйственных производств.-Ноеопо;юцк, 1589.-С. 12. _ .