автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка и исследование установки приготовления композитного котельного биотоплива из отходов животноводческих ферм и нефтехозяйств

На правах рукописи

Кожевников Юрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО КОТЕЛЬНОГО БИОТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ И НЕФТЕХОЗЯЙСТВ

05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005544804 6 ФЕЗ 2014

Москва-2014

005544804

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Российской сельскохозяйственной академии наук (ГНУ ВИЭСХ).

Научный руковозггель: доктор технических наук, профессор,

академик РАСХН, заслуженный деятель пауки РФ,

Стребков Дмитрий Семенович Официальные оппоненты: Артюшин Анатолии Алексеевич,

член-корр.Россельхозакадемии, доктор технических наук, профессор, гл.н.с. ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (ГНУ ВИМ)

Ведущая организация:

Мнтуров Николай Петрович,

кандидат технических наук, заведующий отделом ФГНУ «Росинформагротех» Государственное научное учреждение Всероссийский

научно-нсследовательскнй технологический институт

ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГНУ ГОСНИТИ), г. Москва

Защита диссертации состоится « » марта 2014 г. в 10-00 час. на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд. 2. Тел.: (499) 171-19-20. Факс: (499) 170-51-01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Автореферат разослан «_»_2014 г.

/

Ученый секретарь ,

диссертационного совета . у- г . ; <■■ Некрасов Алексей Иосифович

Актуальность работы. Агропромышленный комплекс России сегодня сталкивается с проблемой утилизации отходов. Они просто вывозятся с территорий ферм и складируются. Это приводит к проблемам окисления почв, отчуждению сельскохозяйственных земель (более 2 млн га сельскохозяйственных земель заняты под хранение навоза), загрязнению грунтовых вод и выбросам в атмосферу метана - парникового газа.

С другой стороны агропромышленный комплекс нуждается в энергетических ресурсах, а именно, в тепловой и электрической энергии. Эта проблема особенно актуальна для России с ее достаточно холодным климатом.

Известно, что отходы животноводства могут с успехом использоваться для получения биогаза. Развитие биоэнергетики - это не только решение проблемы утилизации отходов, но и существенный вклад в решение энергетических проблем сельского хозяйства.

Существующие биогазовые установки в России оказываются достаточно дорогими как по капитальным затратам, так и эксплуатационным расходам. Поэтому весьма актуальным является поиск новых способов использования потенциальных энергетических возможностей топлива жидких органических отходов животноводческих ферм. Но из-за высокой влажности навоза (90 - 95% воды и 5 - 10% сжигаемого сухого органического остатка) его прямое сжигание в жидком виде в топках практически невозможно.

Однако, если приготовить смесь из жидкого навоза и отходов нефтепереработки, появляется возможность использования получаемого композитного топлива для нужд сельхозпредприятия. Здесь примером может служить использование водоугольных (ВУТ) и водомазутных (ВМТ) водотопливных смесей в отдельных отраслях народного хозяйства. Наличие в топливе воды приводит, несмотря на некоторое снижение удельной теплотворной способности топлива, к его более полному сгоранию и уменьшению вредных газовых выбросов.

Цель работы. Целями диссертационной работы являлись поиск и обоснование возможностей получения жидкого композитного топлива из отходов животноводства и нефтепереработки, разработка оборудования для получения такого топлива, определение перспектив использования соответствующих технологии и оборудования для российских животноводческих ферм.

Работа выполнена в рамках госзадания фундаментальных исследований по теме № 09.03.08 «Разработать энергосберегающие экологически безопасные, технологические прооцессы и технические средства термохимической переработки сельскохозяйственных и других отходов в тепловую и электрическую энергию, для приготовления смесевых, суспензионных и эмульсионных топлив на основе углеводородных и органических материалов», с учетом положений Федеральной целевой

программы «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009 — 2013 г.).

В соответствии с указанной целью поставлены следующие задачи:

- выполнить расчетно-теоретическое обоснование перспективности применения композитного топлива на основе отходов животноводства и нефтепереработки для нужд сельхозпредприятий;

- определить оптимальный диапазон требований к данному виду топлива;

- провести анализ и выбрать наиболее подходящие для данного вида топлива методы его получения в промышленных условиях;

- провести структурные исследования получаемого композитного топлива при различных технологических режимах его получения;

- разработать, изготовить и испытать опытно-промышленный образец установки для получения композитного топлива;

провести огневые испытания получаемого топлива на полупромышленной установке;

провести технико-экономические исследования перспектив применения композитного топлива на животноводческих фермах, выдать рекомендации по его применению.

Объекты исследования:

- оборудование для получения композитного топлива на основе навоза, мазута и нефтешламов;

- собственно композитное топливо, полученное с применением разработанной технологии;

- экономические аспекты применения композитных топлив на основе жидкого навоза для животноводческих ферм.

Методика исследований:

Поставленные задачи по получению и исследованию композитных топлив решались с применением лабораторного и промышленного оборудования, находящегося в распоряжении как ВИЭСХ, так и других научных учреждений (ГОСНИТИ, ИХФ и др.).

Для обработки результатов экспериментальных исследований использовались численные методы. Результаты сравнивались с данными теоретических исследований.

Научная новизна работы:

В результате выполнения данной диссертационной работы впервые:

- получено композитное топливо на основе навоза и нефтешламов;

- разработан комплект аппаратуры для получения композитного топлива;

- определены границы целесообразности его применения для нужд животноводческих ферм;

- проведены микроскопические исследования структуры частиц -составляющих получаемого композитного топлива;

обоснована экономическая целесообразность применения композитного топлива для животноводческих ферм.

Практическая ценность и реализация результатов:

- разработана технология получения жидких композитных топлив на основе навоза и нефтешламов для нужд животноводческих ферм;

- обоснован оптимальный состав технологического оборудования для получения композитных котельных топлив;

- результаты реализованы в ООО «Эконефтересурс» ( Оренбургская область).

Положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование термохимических свойств жидких композитных печных топлив из навоза и отходов нефтяной промышленности;

- технология и аппаратурное оформление получения композитного топлива на промышленных установках с использованием кавитационных и ультразвуковых технологий и аппаратов;

- результаты экспериментальных исследований структуры и свойств получаемого композитного топлива;

- технико-экономическое обоснование эффективности применения жидкого композитного топлива в животноводческих фермах.

Апробация работы:

Основные положения работы доложены и обсуждались на 8 международных научно-технических конференциях:

Международная специализированная выставка "Энергетика будущего. Малая и нетрадиционная энергетика. Энергоэффективность" 23-26 ноября 2010 г.; семинар 23 ноября 2010 г. "Малая и возобновляемая энергетика, энергопередающие технологии и методы передачи"; "8-National Scientific Conferenceon Energy and Climate Change", Greece, 13-14 ноября 2011; 16-ая Международная научно-практическая конференция "Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с.-х. продукции -новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства", 20-21 сентября 2011 г., Тамбов; 8-я Международная научно-техническая конференция ГНУ ВИЭСХ РАСХН, 16-17 мая 2012 г., часть 4 "Возобновляемые источники энергии. Энергоресурсы. Экология", 2012/5; Международный форум "Новые технологии переработки нефтяных отходов и рекультивация загрязненных земель", отделение "Эффективное решение актуальных проблем переработки нефтешламов - экологическая безопасность России", 2012/6; Международная научно-практическая конференция "Будущее энергетики: возможности российско-германского

сотрудничества", 26-27 февраля 2013 года, Москва; II Московский международный конгресс "БИОТЕХНОЛОГИЯ: состояние и перспективы развития", 19-22 марта 2013 г., Москва; Международный Конгресс «Биомасса: топливо и энергия-2013» 16-17 апреля 2013 г., Москва; Пятая специализированная выставка-конференция "Энергосбережение в городском хозяйстве", 09.12.2010.

Проведенная автором диссертации работа по композитным топливам признана лучшей завершенной научно-исследовательской работой в АПК 2011 года и награждена дипломом отделения механизации и электрификации Российской сельскохозяйственной академии наук.

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 23 работах, в том числе 4 книгах, 11 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, получено 10 патентов РФ.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет страниц машинописного текста, в том числе на Л83> страницах изложен основной текст, который содержит 5$> рисунков, 22 фотографии, таблиц. Список литературы включает ¿^наименования.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность диссертационной темы, научная и практическая значимость, цель и основные задачи работы. Изложено краткое содержание глав диссертации, приведены основные защищаемые положения, приведена краткая характеристика результатов работы.

В первой главе «Обзор литературных данных и постановка задачи исследование приготовления котельного композитного биотоплива» приведен качественный анализ возможностей создания жидкого композитного котельного топлива из отходов животноводства и нефтепереработки, приведен анализ известных процессов и аппаратов, пригодных для создания композитных топлив, выбраны наиболее эффективные для получения композитного топлива методы и аппараты.

Основными составляющими рассматриваемых композитных топлив являются жидкий навоз животноводческих ферм и нефтешламы как отходы нефтехимических производств. С точки зрения использования этих составляющих в качестве топлива основные исходные параметры следующие: количество воды в жидком навозе по весу на различных животноводческих фермах составляет 87 - 95%, сухая масса навоза в основном состоит из органики с теплотворной способностью 12-18 МДж/кг и практически не содержит золы; нефтешламы в основном состоят из мазута с теплотворной способностью 38-40 МДж/кг и содержат воду в количестве 10-40%.

Перед формулировкой основной задачи диссертации сделаем грубую оценку возможного соотношения навоза и нефтешлама в создаваемом композитном топливе. В качестве критерия применимости топлива будем считать, что энергии горючей составляющей композитного топлива должно хватать по крайней мере на испарение воды, содержащейся в компонентах топлива. В таком грубом приближении можно пренебречь также затратами энергии на подогрев компонент топлива и воздуха до температуры кипения воды (100° С).

Для наиболее типичного случая навоза влажностью 90% и нефтешлама с содержанием воды 30% получаем соотношение:

Ем х 0,7 х (1 - Хн) + Ен х 0,1 х Х„>Епх (0,3 х (1 - Х„) + 0,9 Хн), где: Ем = 39 МДж/кг - теплотворная способность мазута; Е„= 13 МДж/кг -теплотворная способность сухой массы навоза; Еп= 2,26 МДж/кг - теплота парообразования воды; Х„- искомая величина - относительное содержание влажного навоза в композитном топливе.

При подставлении числовых значений коэффициентов видно, что для горения композитного топлива содержание нефтешламов должно быть в идеальном случае более 5% по весу. Более точные оценки с учетом необходимости предварительного нагрева навоза, нефтешлама, воздуха и поддержания необходимых температур в камере сгорания котла (более 400 °С) дают требуемое количество добавляемых нефтешламов данного состава на уровне 8 - 10 % по весу.

Таким образом, видно, что переход к композитному топливу может послужить не только достаточно эффективным средством получения тепловой энергии в котлах, но и эффективным способом утилизации жидкого навоза.

Добиться полного сгорания композитного топлива можно лишь при достаточно хорошей его гомогенизации. Кроме того, важным параметром композитного топлива является стойкость получаемого топлива относительно расслоения при хранении.

Основной задачей диссертационной работы является исследование возможностей получения указанного выше композитного топлива из животноводческих и нефтяных отходов, разработка аппаратуры для промышленного изготовления композитного топлива.

Проведенный анализ различных технологических процессов показывает, что при введении в обрабатываемые среды ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, а также сдвиговых воздействий, в жидких средах возникают явления, приводящие к резкому повышению однородности обрабатываемой среды, уменьшению размеров частиц, входящих в состав навоза. К основным физическим явлениям, оказывающим наибольший вклад в интенсификацию процессов, относятся механоактивация и кавитация.

На примерах воздействия различного типа диспергирующего оборудования на обводненную биомассу, а также воздействия

ультразвуковых (УЗ) колебаний высокой интенсивности на вязкие жидкие органические среды, которые применялись для приготовления водотопливных эмульсий (ВТЭ), показано, что одним из самых эффективных способов является УЗ воздействие на обрабатываемую среду. В настоящее время УЗ воздействие интенсивностью 20-24 Вт/см2 рассматривается как один из основных путей совершенствования технологии приготовления ВТЭ на стадии смешения дисперсионной среды (углеводороды) и дисперсной фазы (вода), и формирования внутренней структуры ВТЭ.

Обработка отходов биомассы диспергируюшими устройствами (шнеками, валковыми дробилками, истирателями, роторно-пульсационными аппаратами, гомогенизаторами, диспергаторами и др.), последующее смешение их с отходами углеводородов и воздействием УЗ высокой интенсивности в кавитационной режиме приводят к образованию суспензий, которые могут рассматриваться и применяться как композитные топлива.

Композитные биотоплива характеризуются повышенной вязкостью, пониженной калорийностью, повышенной температурой воспламенения, но в тоже время по своим физико-химическим характеристикам могут быть приближены к мазутному котельному топливу марки М100.

Среди известных технологических процессов особый интерес представляет использование УЗ высокой интенсивности для равномерного распределения коллоидных наночастиц в жидкой биомассе. Разрушение агрегатов наночастиц в структуре дисперсионной среды создает высокую устойчивость топливной эмульсии к агрегатированию наночастиц.

Анализ литературных источников показал, что указанные процессы эффективно реализуются при обеспечении в жидкой среде режима развитой кавитации, которая, как показывают результаты экспериментальных лабораторных исследований, достигается при интенсивности ультразвуковых колебаний выше 20 Вт/см2.

Оценка современного состояния диспергирующего и ультразвукового оборудования, используемого в лабораторных и производственных условиях для интенсификации процессов, показывает, что только очень малая часть используемого в настоящее время оборудования способна выполнить обработку высоковязких сред с должной дисперсностью и практически нет оборудования для обеспечения кавитационного режима в промышленных масштабах.

Отсутствие необходимых теоретических и экспериментальных данных об оптимальных режимах энергетического воздействия на различные высоковязкие и высокодисперсные среды, а также отсутствие информации об оптимальных конструктивных особенностях (форма, размер, параметры энергетического оборудования) привели к необходимости проведения соответствующих исследований процессов диспергирования и кавитационной обработки для разработки нового технологического оборудования, обеспечивающего интенсификацию технологических процессов в промышленных масштабах.

Выводы к главе 1.

1. Показано, что на основе жидкого навоза животноводческих ферм влажностью 85 - 95 % и нефтешламов как отходов нефтехимических производств влажностью 20 - 40 % может быть создано жидкое композиционное котельное топливо, состав которого может состоять до 95 % из навоза. Необходимым условием эффективности использования такой смеси в качестве топлива должна быть его хорошая гомогенизация.

2. Проведенный анализ существующих методов гомогенизации подобных сред показал, что для получения однородной массы наиболее подходящим является воздействие на среду ультразвуком высокой интенсивности, что одновременно может приводить к разрушению агрегатов коллоидных частиц, входящих в состав биомассы навоза, тем самым уменьшая вероятность расслоения со временем получаемого композитного топлива.

3. Проведенный анализ существующего промышленного оборудования для ультразвуковой обработки компонент композитного топлива показал, что требуется тщательное исследование и выбор промышленного оборудования для получения необходимых количеств качественного композитного топлива.

4. Определена основная задача диссертационной работы как разработка и создание промышленного оборудования для получения композитного топлива на основе навоза и нефтешламов, исследование параметров получаемого топлива, апробация получаемого топлива на промышленных котлах, оценка экономической эффективности разработанной технологии приготовления композитного топлива и применения композитного топлива для решения экономических, энергетических и экологических задач на животноводческих фермах в условиях средней полосы России.

Во второй главе «Теоретическое обоснование гибридной смесевой установки приготовления композитных биотоплив» приводится оценка влияния интенсивности воздействия (мощности аппаратов) в системах с жидкой фазой повышенной вязкости для получения необходимой степени дисперсности топливной суспензии. Определен размер дисперсной фазы, получаемой при различных условиях механообработки и интенсивностях УЗ воздействия в кавитационной области на различном технологическом оборудовании.

Показано, что комплексная обработка компонентов топливной смеси, состоящая из двух стадий: механической предварительной обработки (смешения, перемешивания, дробления, истирания и обработки в роторно-пульсационном аппарате) и последующей обработки полученной водной суспензии биомассы ультразвуком, создаваемым существующими аппаратами, не позволяет достичь требуемой дисперсности композитного топлива. Частицы биомассы имеют структуру крупных линейных конгломератов и при дроблении рвутся в наиболее ослабленных их участках,

что приводит к неоднородной структуре дисперсной среды, полученной из отходов биомассы.

Использование существующих гидродинамических и УЗ технологических аппаратов в промышленных условиях ограничено размерами рабочей области и интенсивностью в ней кавитационных процессов, так как продольный размер рабочей области не превышает по размерам диаметр излучателя. Анализ микрофотографий топливных композиций, полученных в результате выполнения настоящей работы на различных промышленных устройствах: диспергаторах, гомогенизаторах, эмульгаторах, пульсационных аппаратах однозначно показывает, что существующие диспергирующие устройства не позволяют получать требуемую дисперсность компонентов композитного топлива.

Обобщены данные по основным параметрам композитного биотоплива (активности, реактивности, гранулометрическому составу, зольности, влажности, определяющих способность к горению топлив органического происхождения, в зависимости от химического состава компонентов композитного топлива. Предварительную оценку горючести композитных топлив предлагается проводить по формуле Менделеева, визуально оценивать по треугольнику Таннера.

Выводы к главе 2.

1. Уточнены на базе теоретических моделей требования к основным параметрам композитного топлива, главным образом к его гранулометрическому составу.

2. Экспериментально показано, что существующее промышленное оборудование не позволяет получать композитное топливо заданного гранулометрического состава. Причиной этого явления является неподходящая конфигурация рабочей зоны воздействия на среду в этих аппаратах.

3. Сформулированы условия получения заданных параметров композитного топлива в промышленных аппаратах

В третьей главе «Опытно-промышленная установка (ОПУ) для приготовления жидких композитных топлив» рассматривается концепция проточной гибридной установки непрерывного действия для приготовления жидких композитных топлив, определяются требования к основным узлам и элементам, из которых должна состоять проточная гибридная установка непрерывного действия.

В начале главы приводятся сведения о предельных мощностных характеристиках известных УЗ аппаратов и систем диспергирования. В существующих УЗ системах применяется один полуволновый магнитострикционный преобразователь. Такой тип конструкции УЗ колебательной системы называется одноэлементным, и он является исходным для использования в наших целях.

В проточной гибридной установке предполагается также использовать узлы роторно-пульсационного аппарата (РПА) проточного типа.

В принципе работы ОПУ в полной мере реализованы технологические преимущества комбинированного воздействия гидродинамической и гидроакустической обработки. Как известно, качество композитного топлива, в частности, эмульсий на водомазутной основе определяется степенью дисперсности и равномерностью распределения глобул в дисперсионной среде (мазуте). С повышением дисперсности и равномерности улучшается стабильность эмульсии и, следовательно, эффективность и надежность работы горелочных устройств. Так, качественное композитное биотопливо на основе мазута марки 100 должно сохранять свои свойства (прежде всего, вязкость) в течение 24 час при температуре хранения 60°С. Для обеспечения высокой степени дисперсности композитных биотоплив в ОПУ используется принцип создания в обрабатываемой многокомпонентной среде локальных гидродинамических и гидроакустических полей высокой плотности при двухэтапной обработке.

В базовую комплектацию ОПУ установки входят модуль предварительной подготовки компонентов композитного биотоплива и модуль окончательной обработки (рис. 1).

В состав модуля предварительной подготовки компонент композитного топлива входят: роторно-пульсационный аппарат (РПА); насосные агрегаты; рабочие емкости; запорная арматура; контрольно-измерительное оборудование.

В модуле предварительной подготовки на основе РПА, представляющего собой гидродинамический диспергатор, осуществляется первая фаза гомогенизации многокомпонентной эмульсии на основе многопластинчатого гидродинамического излучателя, состоящего из погруженных в жидкость прямоугольных щелевых сопел и пластин-препятствий, направленных в сторону струи. При столкновении сформированной струи неоднородной текучей среды со свободным концом пластины-препятствия в каждой ее точке формируются параметрические резонансные колебания, воздействующие на компоненты среды. При работе излучателя наряду с генерацией звуковых волн наблюдаются и кавитационные явления, область которых распространяется на всю зону обработки.

Модуль окончательной обработки включает в себя: насосные агрегаты; ультразвуковой проточный реактор; гидродинамическая система Борткевича; запорная арматура; рабочие емкости; генератор; контрольно-измерительное оборудование.

Можно выделить несколько факторов, обеспечивающих эффективное воздействие ультразвукового поля на органические материалы растительного происхождения: увеличение скорости обтекания и пропитки твердых частиц жидкостью, возрастание коэффициента внутренней диффузии и наличие кавитационного эффекта, влияющего на структуру частиц и приводящего к появлению микротрещин. Под действием ультразвуковых колебаний происходит более быстрое и активное разрушение внутриклеточных тканей

растительного сырья, что приводит к интенсификации процесса гомогенизации. В ОПУ обеспечено получение однородной тонкодисперсной 3-10 мкм) топливной эмульсии.

Рисунок 1 - Схема и фотография гибридного устройства подготовки котельных биотоплив

непрерывного действия: роторно-пульсационный аппарат (РПА); насосные агрегаты (Н1, Н2); рабочие емкости (ПЕ, НЕ, НЕ2); 5 - запорная арматура; 9 - контрольно-измерительное оборудование

/

:1

25

Рисунок 2 - Ультразвуковой магнитострикционный преобразователь (ПМС1) - 1; 2 - проточный реактор, 3 -ультразвуковой волновод-излучатель

Проточный реактор с ультразвуковым излучателем (сонохимический реактор) состоит из следующих компонент (рис.6) ультразвуковой генератор (УЗГ); проточный реактор с ультразвуковым смесителем (поставляется в собранном виде), включающий в себя корпус (проточный цилиндр), ультразвуковой магнитострикционный преобразователь (ПМС1-1) и акустический волновод-излучатель. Преобразователь снабжен

электромагнитным датчиком амплитуды колебаний.

Работа по приготовлению композитного биотоплива в установке полностью независима от технологического оборудования котельной и его технического состояния. При запуске установки на входные трубопроводы, снабженные стандартными фланцами, подаются компоненты водосодержащей органической фракции

10

|гС35

у

<¡•45

(ВОФ): мазут, органические добавки в виде растительного сырья, (например: навоз, помет, микроводоросли), вода и др. Процентное содержание водосодержащих компонентов задается с пульта управления. Смесь компонентов требуемого состава поступает на насосный агрегат, а затем в гидродинамический диспергатор модуля предварительной подготовки. Приготовленная таким образом смесь накапливается в буферной емкости, из которой насосным агрегатом перекачивается в модуль окончательной обработки и последовательно проходит тракты ультразвукового проточного реактора и гидродинамической системы. Через выходной патрубок готовое ультрадисперсное композитное топливо поступает в расходную емкость мазутного хозяйства котельной.

Таблица 1 - Технические характеристики ОПУ

- 3 Производительность, м /ч 10

Температура мазута, °С 45...65

Температура воды, °С 10...40

Температура ВОФ, °С 45...65

Дисперсность капель воды, мкм 3...10

Содержание воды в КТ, % 20...50

На собранной установке были приготовлены экспериментальные партии композитного топлива с содержанием воды 20 %. Качество продукта определяли исходя из распределения капель ВМЭ в дисперсной среде по размерам путем обработки и сравнения изображений, полученных на оптическом микроскопе МБС-12 (рис. 3). Для каждой серии расчётов обрабатывалось более 425 капель, и строились гистограммы распределения, вид которой представлен на рис. 4.

Рисунок 3 - Микрофотография образца ШЖДВЯЩ^^РРД^лй^ ИШИВИД композитного биотоплива 2, ШШЙШЩЦЩИ тЕкЭр32а§гЙШ11я1р

пиии

Измерения показывают два ИИИИИИИ>

максимума для размеров капель 7 и ЭШИКиВм

14 мкм, при этом капли со средним ЕНМИи

диаметром более 30...35 мкм в ЩЙш^^КЯ

эмульсии практически отсутствуют. ИЯИМР

Это указывает на высокое качество ЯЬДг 1

приготовленных образцов и дает ШГ

основания прогнозировать хорошую В" стабильность минерально-

органического биотоплива, приготовленного на ОПУ. Выводы к главе 3.

1. Разработана принципиальная технологическая схема опытно-промышленной установки непрерывного получения композитного топлива на основе жидкого навоза и нефтешламов производительностью 10 м3/час.

2. Разработана и исследована работа первой гидродинамической ступени ОПУ на основе роторно-пульсационного аппарата (РПА).

3. Разработана и исследована работа второй ступени - «ультразвуковой проточного реактора» на основе магнитострикционного преобразователя ОПУ.

4. Разработан и установлен порядок приготовления композитного топлива на основе ОПУ с разным содержанием мазута и водосодержащей органической фракции (навоз, помет, микроводоросли и т.п.).

5. Приготовлены экспериментальные образцы композитного топлива с содержанием воды 20 - 50%.

6. Проведенные на лабораторной установке огневые испытания композитного топлива показали его высокую эффективность.

В четвертой главе «Разработка методики экспериментальных исследований композитного котельного биотоплива» описаны результаты экспериментальных исследований, которые подтвердили возможность получения композитных топлив с заданными параметрами из биоотходов сельскохозяйственных предприятий и некондиционных углеводородов.

Для подтверждения численных показателей оптимальной дисперсности композитного топлива, были проведены эксперименты по одновременному диспергированию на центрифугах и РПА проб композитных топлив с различной концентрацией их компонент после предварительной обработки на механоактиваторах.

Навозная масса является гетерогенной дисперсной системой, состоящей из навозной жижи лагун, содержащей раздробленные до частиц различной величины непереваренные частицы клетчатки, неравномерно распределенные в жидкой среде, состоящей в свою очередь из воды и мочи.

Рисунок 4 - Размер частиц дисперсной фазы композитного топлива «РПА 1400 об./мин»

Дисперсная фаза второго компонента композитного топлива -водомазутной эмульсии (ВМЭ) - состоит также из различного размера тяжелых частей нефти, нефтяных остатков и отходов нефтегазовой промышленности.

Композитное топливо может рассматриваться как многокомпонентная грубодисперсная суспензия, содержащая в своей структуре, помимо жидкой

| водомазутной эмульсии диспергатора

35%

У\Ъ% \ 1294

9% у/ 5.15

1,оо ¿0:1 1,60 г у ¡3 4.00 1

ШШЗ Содержание капель данного размера. %

Диапазон оазмеоов капель

—Полиномиальная (Содержание капель данного размера, %)

фазы, твердые видимые частицы (>0,2 мм), наблюдаемые под микроскопом, субмиллиметровые частицы (от 0,2-0,1 мм), и диспергированное вещество с размером частиц от 300-400 нм до 1 мкм, представляющее коллоидную фазу. Подтверждением отнесения композитного топлива к дисперсным системам является взаимная нерастворимость диспергируемого вещества (ВМЭ) и дисперсионной среды (навозной жижи).

Одной из основных характеристик композитного топлива является показатель дисперсности системы. Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности, Б) - величина, обратная размеру а дисперсных частиц:

В = На (1)

Размер капель играет важную роль в процессах хранении и горения композитного топлива. Очевидно, что процесс коалесценции капель является начальной стадией расслоения. Скорость коалесценции капель зависит и от их первоначального размера. Наиболее объективным параметром, который может характеризовать количественно дисперсность системы (например, ВМС в суспензии биомассы), является функция распределения плотности частиц: число капель - размер капли.

Известные материалы по статистическому моделированию функции плотности распределения капель водомазутной эмульсии (дисперсная фаза) по размерам в суспензии биомассы (дисперсионная среда), образующие топливную смесь, легли в основу модели процесса диспергирования компонентов композитного топлива. Диспергирование ВМС (дисперсной фазы) производилось с помощью роторно-пульсационного аппарата. Содержание воды составляло 20%. Распределение капель по размерам экспериментально определялось из обработки изображений ВМС, полученных на оптическом микроскопе.

Для каждой серии расчётов обрабатывалось более 425 капель. Результаты группировались по интервалам размеров. Число интервалов, согласно общепринятым рекомендациям, рассчитывалось как

Кшп = Ж (2)

где /V,,,,,,, - число интервалов, на которые разбивается отрезок между максимальным и минимальным значениями диаметров капель, /V*-общее число капель с измеренным диаметром.

г ! »

I .0

В качестве числового значения Ышт принималось ближайшее целое к

рассчитанному по вышеприведенной формуле. Построенная таким образом

гистограмма для серии из 435 капель представлена на рис. 5.

Рисунок 5 - Гистограмма распределения капель по 35 размерам для ВМС, содержащей 20% воды

Рахчер капель, микрон

Из представленного рисунка видно, что распределение двумодальное и несимметричное, что характерно для исследованных образцов ВМЭ. В математической статистике известно достаточно большое количество несимметричных распределений, наиболее часто используются для описания дисперсных систем следующие:

• Логарифмически-нормальное:

<р(х) = ■

1

ехр

ох-

(1п(х)-? 2<т2

(3)

где:

<р(х) - функция плотности распределения, х - текущее значение размера (диаметра) капли,

а - дисперсия, т - математическое ожидание. • Релея:

<АХ)=~Т

с

Вейбулла:

ехр

х

2а2

(р(х) = Ьа V 1 ехр

где а, Ь - параметры распределения.

• Розина-Раммлера:

-Т

а)

(4)

(5)

(р{х) = Ьах" 1 ехр (~Ьха)

(6)

В качестве теоретического многомерного распределения в настоящей работе была сделана также попытка использовать двумерное нормальное распределение:

ф(х 1,х2) ■■

2 яег, а 2 д/(1 - рг

г схр

2(1 -А2)

(и,2 -2рхгихи2 +м,2)

(7)

л:, — /и.

>0,сг2 >0,|/?,2|<1)

где: М1 - ; 2 ~

<г, <х2

Для выбранного теоретического распределения подобраны параметры, минимизирующие сумму квадратов отклонений экспериментально определённых значений частот и соответствующих вероятностей, определённых по выбранному теоретическому распределению. Определение соответствия теоретического распределения экспериментальному проводилось по критерию согласия Пирсона. Как показали расчёты, проведённые при выполнении настоящей работы, ни одно из них адекватно не описывает экспериментально полученные распределения.

Для получения адекватного описания экспериментальных данных были использованы суммы различных комбинаций из пар приведённых выше функций плотности распределений. Наилучшие результаты получены, если плотность распределения искать в виде суммы, в которой для первого максимума использовано нормальное распределении, а для второго логарифмически нормальное:

(р{х) = к{(р{х) +к2(р{х)^

/лог.норм

(8)

Весовые коэффициенты кь кг определялись как:

К

1 К шах

р/? шах

I .

V К ПИП

„¿¿с

„сЬс

' 2 - "Ята.

"" , , ^ Ктах

]" Ых),юрм + <р(х)пог.нор, РХ | [<р(х)трм + (р{х)лог иорм,

где: Ктт - минимальное значение диаметра капли; Ктах - максимальное значение диаметра капли.

Исходные непереваренные остатки клетчатки навоза представляет собой мелкодисперсную смесь, состоящую в общем случае из частиц размеры которых варьируются следующим образом: длина - 0,07...0,25, ширина - 0.1...1,0 , толщина - 0,05...0,1 мм. После пропускания навоза через диспергирующее устройство размеры частиц становятся существенно меньше.

Результаты обработки полученных после переработки навоза экспериментальных данных приведены на рис 6. Физически интерпретировать полученные результаты можно, как результат появления и линейного суммирования двух различных типов диспергированной клетчатки, связанных с исходной структурой биомассы.

(1)

20 25 30

Диаметр капель, микрон

Рисунок 6 Функция плотности распределения числа капель воды в ВМС по размерам. (1)-

экспериментальные

значения, (2) -

нормальная

составляющая

суммарной

функции, (3) -

логарифмически

нормальная

составляющая

суммарной функции, (4) -теоретическая, рассчитанная по уравнениям, (7)-(8) - функция плотности распределания с параметрами для нормальной составляющей Ш1=7,12; 01=1,738; к1=0,499 ;для логарифмически нормальной составляющей т2=2,69; а2=0,246; к2=0,501.

Числовое значение критерия согласия Пирсона получилось 2,73, меньше табличного значения 19,68 при 1-а = 0,95 уровне значимости. Следовательно, полученное теоретическое распределение адекватно описывает экспериментальные данные. Числовые значения для математического ожидания и дисперсии были равны: для нормального распределения ш1=7,12; а,= 1,738; к,=0,499 для логарифмически нормального ш2=2,69; ст2=0,246; к2=0,01.

Оогт капель горючей жидкости а топливной смеси

Рисунок 7 - Зависимость энергетической эффективности системы от диаметра капель топливной смеси:

Е] - энергия сгорания топливной смеси; Е2 - затраты энергии на образование мелкодисперсной топливной смеси;

Е = Е] - Е2 - полная энергия системы; 1 - согласно теории монодисперсного распределения; 2 -эксперимент в действительности

Заметим, что физико-механические свойства биомассы являются

определяющими при выборе

технологических схем сжигания и параметров горелочного устройства. Помимо влияния на процессы термического разложения, они оказывают существенное влияние на распределение топлива по всему объему рабочей камеры.

Выводы к главе 4.

1. Определены основные методы исследования качества получаемого в ОПУ композитного биотоплива, проведены исследования качества этого топлива.

2. Экспериментально показано, что функция плотности распределения капель по размерам в дисперсной фазе имеет 2 максимума (двумодальная). Характерный размер капель после диспергирования составляет 7 и 14 микрон.

3. Подобран теоретический закон плотности распределения размера капель в виде суммы нормального и логарифмически нормального распределений с соответствующими весовыми коэффициентами. Определены основные параметры теоретического распределения.

4. По аналогии с результатами известных исследований водомазутных топлив, полученный размер капель композитного топлива является подходящим для использования в стандартных горелочных устройствах.

5. Показано, что наиболее оперативным методом оценки качества композитного биотоплива является экспресс - метод на основе оптической спектроскопии.

6.Приведены зависимости материального и энергетического балансов при сжигании композитного топлива различного состава, позволяющие оперативно оценивать энергетику и объем продуктов сгорания, а также определять эффективность применения получаемого композитного топлива для получения тепловой энергии.

В пятой главе «Технико-экономическое исследование целесообразности использования композитных топлив на основе отходов животноводства и нефтепереработки» дается оценка экономической эффективности применения разработанных композитных биотоплив.

Для расчета экономического эффекта от приготовления и сжигания композитного биотоплива в качестве базовых принимаются каталожные и экспериментальные данные, полученные при исследовании водомазутных эмульсий, и исследовании отходов животноводства (навоза):

• Теплота сгорания мазута - 39 МДж/кг;

• Теплота сгорания сухой массы навоза - 12 МДж/кг;

• Состав мазута - 85% углерод, 10% водород, 5% гетероатомный балласт (зола), не участвующий в горении.'

• Содержание воды в навозе - 90%;

• Состав нефтешлама - 70% мазут, 30% вода;

• Состав композитного биотоплива — 30% нефтешлама + 70% навоза, что соответствует 21% мазута, 72% воды и 7% сухой массы навоза.

Принято для расчета:

• стоимость отходов сельхозпредприятий равна нулю;

• средняя стоимость ГОСТированного топочного мазута марки М-100 (8-3,5%) составляет 19 000 руб./мт;

• средняя стоимость обводненного мазута (содержание молекулярной воды до 30%) - 8 ООО руб. за мт.

Таблица 2 - Сравнительные характеристики разных видов топливных смесей

Сырье Состав топлива (%) Теплотворная способность (МДж/кг) Цена руб. за 1 кг МДж/ руб

мазут Нефте-шламы вода Биомасса (сух.)

Мазут 100% - - - 39.00 19.00 2.05

Водо-мазутная эмульсия (ВМЭ) - 70% 30% - 32.85 5.60 5.87

Композитное топливо - 21% 72% 7% 24.00 1.68 14.29

Количество полученной тепловой энергии для композитного топлива на рубль затрат с учётом нефтешламов составляет 14.29 МДж/руб., что превышает более чем в 2,4 раза аналогичный показатель для ВМЭ и в 7 раз показатель для мазута.

Для решения технологических задач полноты сжигания композитного топлива предложена конструкция типовых горелочных устройств с системой СВЧ плазменного горения, которая может быть легко смонтирована в конструкцию существующих теплогенерирующих установок.

Экономический эффект от использования композитного биотоплива приведен на примере Центральной черноземной зоны (ЦЧЗ) РФ (Белгородская, Воронежская, Курская, Липецкая, Тамбовская области), где насчитывается около 1700 частных животноводческих хозяйств со средним поголовьем в 1400 голов КРС и общем поголовье в 2,38 млн. Средний объем навоза на одну корову составляет 14.6 тонн в год (40 кг в сутки), а всего навоза в указанном регионе образуется 34.7 млн. тонн в год.

Нормы использования навоза в РФ на удобрения составляют до 70% от общего объема навоза в животноводческих хозяйствах а оставшиеся 30% навоза можно использовать для сжигания.

Из доступного объема жидкого навоза в 10.4 млн. тонн год (1.04 млн. тонн сухого вещества) можно произвести 14.9 млн. тонн композитного топлива в год с выработкой тепловой энергии в 3.58*10" МДж, что потребует 3.1 млн. тонн нефтешламов и затратах на них более 25 млрд. руб. в

год. Для выработки такого количества тепловой энергии при сжигании ВМЭ объем нефтешламов и затраты на них возрастут в 2.4 раза.

Таблица 3 - Экономический эффект от сжигания КБТ и ВМЭ

Всего по ЦЧЗ РФ

Вид топлива Объем навоза для сжигания, млн. тонн в год Объем топлива, млн. тонн в год Объем нефтешламов, млн. тонн в год Затраты на топливо, млн. руб. Затраты на топливо в расчете на 1 ферму (1400 голов КРС)

Композитное топливо 10.4 14.9 3.1 24 800.0 14.6

Водо-мазутная эмульсия - 10.8 7.5 60 000.0 35.3

Экономия (млн. руб. в год): 35 200.0 20.7

Потенциал для экономии составляет более 35 млрд. руб. в год на все 1700 хозяйств ЦЧЗ РФ. В одном хозяйстве (1400 голов КРС) экономия составит более 20 млн. руб. в год.

Примечание: Расходы на модернизацию горелки составляют около 100 000 руб. за устройство и незначительно влияют на общие экономические показатели.

Выводы к главе 5.

1. Внедрение технологии приготовления и сжигания композитного биотоплива с использованием навоза позволяет существенно, более чем в 2.4 раза, повысить экономические показатели тепловых установок при выработке тепловой энергии для животноводческих хозяйств.

2. Расходы на модернизацию существующих горелочных устройств средней мощности (100 - 500 кВт) незначительно влияют на общие экономические показатели по котельному оборудованию.

3. Применение композитного топлива с использованием разработанного оборудования приготовления топлива и известных горелочных устройств может быть рекомендовано для массового применения в хозяйствах средней полосы России, как эффективный метод получения тепловой энергии и эффективный метод утилизации жидкого навоза.

Основные выводы и результаты

1. Проведенный анализ теплофизических и реологических характеристик жидкого навоза и отходов нефтехимических производств позволил обосновать возможность создания на их базе жидких композитных котельных топлив. Установлено, например, что такое топливо может состоять на 70% из навоза влажностью 90 % и на 30% из нефтешлама влажностью 30%. Теоретически исследован материальный и энергетический баланс при сжигании композитного биотоплива различного состава.

2. Проведенный анализ аппаратного обеспечения технологии получения композитных топлив показал, что для тепловых установок средней тепловой мощности (50 - 500 кВт) оптимальным способом получения мелкодисперсной фазы на промышленных установках является сочетание кавитационного метода обработки смеси с ультразвуковым. Данное сочетание является оптимальным и с точки зрения минимальных экономических затрат как на приобретение оборудования, так и на его его эксплуатацию.

3. Эксперименты показывают, что получаемая на разработанном оборудовании эмульсия состоит из двух типов частиц размерами около 5 и около 8 мкм. По аналогии в известными ВУС и ВМС такие размеры являются приемлемыми для использования в котлах с жидкостными горелками.

4. Разработаны и исследованы работа первой гидродинамической ступени ОПУ на основе роторно-пульсационного аппарата и второй ультразвуковой системы ОПУ на основе магнитострикционного преобразователя в непрерывном потоке жидкой среды. Оптимизирована работа проточной части.

5. Полученная макроскопически однородная масса композитного топлива сохраняет свою структуру более одного месяца хранения при нахождении как в условиях положительной температуры, так и в малоотапливаемых помещениях. Это обстоятельство дает возможность накапливать композитное топливо и затем использовать его в случае больших неравномерностей нагрузки котлов.

6. Проведенные огневые испытания полученного композитного топлива на лабораторном парогенераторе подтверждают высокую эффективность его использования в промышленных целях.

7. Показано, что наиболее оперативным методом оценки качества композитного топлива является экспресс-метод на основе оптической спектрометрии.

8. Технико-экономические расчеты применимости разработанной технологии и применяемых устройств в условиях животноводческих ферм дают высокую экономическую эффективность их применения не только для решения экологических, но и для решения энергетических задач. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого оборудования для ЦЧЗ составляет более 35 млрд. руб. в год, а для одной фермы (1700 голов КРС) составляет более 20 миллиона рублей в год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях

В изданиях из перечня ВАК:

1. Кожевников, Ю.А. Исследование распределения капель воды по размерам в водомазутной смеси [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Механизация и электрификация сельского хозяйства.2013. №З.С.25-26.

2. Кожевников, Ю.А. Исследование дисперсионных жидкостных систем при кавитационной обработке гидротоплив [Текст] / Ю.А. Кожевникови др. //Трактора и сельхозмашины, 2013. №6. С.24-27.

3. Кожевников, Ю.А. Модульный технологический комплекс для приготовления котельного композитного биотоплива [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (ШАЕЕ).2013. №5.Часть 2. С. 59-64.

4. Кожевников, Ю.А. Применение биотоплива третьего поколения в автономных энергогенерирующих системах на основе современных паровых поршневых двигателей [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2013. №3. С. 41-43.

5. Кожевников, Ю.А. Тепломассоперенос при пиролизе растительного сырья [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Промышленная энергетика. 2013. №2. С. 33-35.

6. Кожевников, Ю.А. Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (181АЕЕ). 2013. №1. Часть 2. С. 103-107.

7. Кожевников, Ю.А. Приготовление экологичных котельных биотоплив [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (ШАЕЕ). 2012. №3. Часть 1. С. 96-101.

8. Кожевников, Ю.А. Структура и свойства нанокомпозитных материалов с нанокомпозитной матрицей [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Достижения науки и техники АПК. 2011. №11. С. 68-70.

9. Кожевников, Ю.А. Структура, технология и свойства углеродных нанотрубок [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Достижения науки и техники АПК. 2011. № 7. С. 63-65.

10. Кожевников, Ю.А. Компьютерное моделирование МИНИ-ТЭС с модулем приготовления биотоплива третьего поколения [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (181АЕЕ). 2011. №10. С. 84-89.

П.Кожевников, Ю.А. Сравнительная оценка энергоэффективности технологий получения биотоплив третьего поколения термохимическим методом [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Альтернативная энергетика и экология (КЛАЕЕ). 2011. №12. С. 60-64.

В книгах:

12. Кожевников, Ю.А. Газовое топливо из органического сырья [Текст], том

1, под ред. Щекочихина Ю.М. / Ю.А. Кожевников и др. - М.: «Издательство Агрорус», 2013. - 285 е., ISBN 978-5-903413-30-0

13. Кожевников, Ю.А. Газовое топливо из органического сырья [Текст] том

2, под ред. Щекочихина Ю.М. / Ю.А. Кожевников и др. - М.: «Издательство Агрорус», 2013. - 302 е., ISBN 978-5-903413-30-0

14. Кожевников, Ю.А. Биоэнергетическое использование отработанных торфяников [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. - М.: «Издательство Агрорус», 2013.- 155 е., ISBN 978-5-903413-08-9

15. Кожевников, Ю.А. Термохимическая конверсия органического сырья [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. - М.: «Издательство Агрорус», 2012. -245 с.

В материалах конференций:

16. Кожевников, Ю.А. Технологические аспекты культивирования микроводорослей в качестве сырья для производства биотоплив [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Международная специализированная выставка "Энергетика будущего. Малая и нетрадиционная энергетика. Энергоэффективность" (23-26 ноября 2010 г.). М., 2010.

17. Кожевников, Ю.А. Приготовление смесевых котельных биотоплив с использованием животноводческих отходов [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Международный Конгресс «Биомасса: топливо и энергия - 2013» (16-17 апреля 2013 г., Москва). Электронный ресурс: http://biotoplivo.com

18. Кожевников, Ю.А. Каталитическая переработка растительной биомассы микроводорослей в синтетическую нефть [Текст] /Ю.А. Кожевников и др. // У11 Московский международный конгресс "БИОТЕХНОЛОГИЯ: состояние и перспективы развития" (19-22 марта 2013г., Москва). Том 2. -М.: ЗАО "ЭКО-биохим-технология", 2013. С. 115.

19. Кожевников, Ю.А. Использование технологии WRHTP для переработки отходов биомассы [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Международная научно-практическая конференция "Будущее энергетики: возможности российско-германского сотрудничества" (в рамках года Германии в России) (26-27 февраля 2013 г., Москва): Тезисы докладов. М., 2013. С. 28-31.

20. Кожевников, Ю.А. Разработка новых экологически безопасных и энергоэффективных технологий получения биотоплива для автономного тепло- и энергоснабжения [Текст] /Ю.А. Кожевников и др.// Международная научно-практическая конференция "Будущее энергетики: возможности российско-германского сотрудничества" (в рамках года Германии в России) (26-27 февраля 2013 г., Москва): Тезисы докладов. М., 2013. С. 88-95.

21. Кожевников, Ю.А. Производство композитных биотоплив [Текст] / Ю.А.

Кожевников и др. // Международный форум "Новые технологии

переработки нефтяных отходов и рекультивация загрязненных земель", отделение "Эффективное решение актуальных проблем переработки нефтешламов - экологическая безопасность России". М.: Изд-во РГУ Нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011. С. 102-103.

22. Кожевников, Ю.А. Исследование воздействия электромагнитного СВЧ поля и ультразвуковой кавитации на концентрацию сероорганических соединений в котельных топливах [Текст] / Кожевников Ю.А. и др. // Труды 8-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (16-17 мая 2012 г., Москва). Часть 4. Возобновляемые источники энергии. Энергоресурсы. Экология. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. С. 217-225.

23. Кожевников, Ю.А. Оценка потенциала и концепция энергосбережения в

теплоснабжении ЖКХ Москвы [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Вестник ВИЭСХ. 2012. № 4/(9). С. 2-5.

24. Кожевников, Ю.А. Эффективность применения кавитированных водо-мазутных эмульсий (ВМЭ) в котельных установках [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // Международная научно-практическая конференция "Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с.-х. продукции - новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства" (20-21 сентября 2011 г., Тамбов). Тамбов: Изд-во Першина, 2011. С. 403-404.

25. Кожевников, Ю.А. Microalgae for biofiiel production use in the open water

areas [Текст] / Ю.А. Кожевников и др. // 8-National Scientific Conference on Energy and Climate Change (13-14 ноября 2011, Greece).

ПАТЕНТЫ

1. Патент РФ №2391384. «Способ и устройство получения смесевого топлива (варианты)» [Текст] / Стребков Д.С., Ерхов М.В., Росс М.Ю., Кожевников Ю.А. // БИ. 2010, №16.

2. Патент РФ №108719. «Роторно-статорный узел ротационно-пульсационного аппарата» [Текст] / Кожевников Ю.А., Лапенков В.В., Хромых B.C., Росс М.Ю., Щекочихин Ю.М., Чирков В.Г., Шебанов С.М. //БИ. 2011,№27.

3. Патент РФ №109009. «Гибридное устройство подготовки многокомпонентных тонкодисперсных котельных биотоплив» [Текст] / Кожевников Ю.А., Стребков Д.С., Сербии В.В., Лапенков В.П., Хромых B.C., Росс М.Ю., Щекочихин Ю.М., Чирков В.Г., Шебанов С.М., Сазонова A.B. // БИ. 2011, №29.

4. Патент РФ №120229. «Дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды при культивировании фитомассы» [Текст] / Чирков В.Г., Плотников С.П., Кожевников Ю.А., Князева Л.П., Росс М.Ю., Щекочихин Ю.М. // БИ. 2012, №25.

5. Патент РФ №113672. «Устройство непрерывного действия для подготовки котельного биотоплива» [Текст] / Сербии В.В., Кожевников

Ю.А., Егоров Ю.М.,Росс М.Ю., Чирков В.Г., Чирков C.B., Шебанов С.М., Сазонова A.B., Точилкина О.Д., Князева Л.П. // БИ. 2012, № 6.

6. Патент РФ №114753. «Ультразвуковая форсунка для распиливания жидких котельных биотоплив» [Текст] / Сербии В.В., Кожевников Ю.А., Егоров Ю.М., Чирков C.B., Росс М.Ю., Кожевников Д.А. // БИ. 2012. №10.

7. Патент РФ №117579. «Гибридная ультразвуковая горелка СВЧ-поджигом для низкокалорийных, жидких эмульсионных и суспензионных топлив» [Текст] / Кожевников Ю.А., Сербии В.В., Егоров Ю.М., Чирков В.Г., Сербина Е.В., Кожевникова Д.А., Росс М.Ю., Эфендиева Л.Г. // БИ. 2012. №18.

8. Патент РФ №126630. « Устройство для извлечения полых микросфер из угольной золы» [Текст] / Юльчинский И.Н., Козырев E.H., Козырева О.Н., Росс М.Ю., Кожевников Ю.А., Щекочихин Ю.М., Чирков В.Г. // БИ. 2013. № 11.

9. Патент РФ №128551. «Ультразвуковой пистолет для сварки листовых полимерных материалов» [Текст] / Мокшин В.М., Федотов Б.Т., Кремнев Д.А., Лычагин В.В., Кожевников Ю.А., Чирков В.Г., Чирков C.B., Чижиков А.Г., Кожевников Д.А., Росс М.Ю. // БИ. 2013. № 15.

10. Патент РФ №133433. «Установка электромагнитной обработки водо-топливных смесей» [Текст] / Столбов Н.В., Прокудин Ю.А., Зиновьев

A.B., Емельянцев C.B., Щекочихин Ю.М., Кожевников Ю.А., Чирков

B.Г., Чирков C.B., Чижиков А.Г., Росс М.Ю. // БИ. 20.10.2013 г. № 14.

Подп. в печать 27.12.2013. Формат 60x90/16. Объем 1,5 печ.л. Тираж 110 экз. Печать цифровая. Заказ №75.

Отпечатано в ООО «Издательство Агрорус» 119590, Москва, ул. Минская, Д.1Г, корп. 2

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии)

На правах рукописи

04201456383

Кожевников Юрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВКИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО КОТЕЛЬНОГО БИОТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ФЕРМ И НЕФТЕХОЗЯЙСТВ

05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация

на соискание степени кандидата технических наук

научный руководитель: д.т.н., профессор, академик РАСХН, заслуженный деятель науки РФ Стребков Д.С.

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................................................................................................6

Актуальность альтернативных малых автономных тепло и электрогенерирующих

установок..........................................................................................................................................................................................................6

Проблемы отходов животноводства............................................................................................................................................7

Энергетический потенциал биомассы....................................................................................................................................9

Проблема отходов нефтепереработки........................................................................................................................................10

Применение мазутов..................................................................................................................................................................................11

Актуальность новых подходов......................................................................................................................................................11

Технологии подготовки топлив........................................................................................................................................................12

Во до-мазутные эмульсии..................................................................................................................................................................13

Цель работы....................................................................................................................................................................................................15

В соответствии с целью поставлены следующие задачи......................................................................................15

Объекты исследования........................................................................................................................................................................15

Методика исследований......................................................................................................................................................................16

Научная новизна работы....................................................................................................................................................................16

Практическая ценность и реализация результатов....................................................................................................16

Положения, выносимые на защиту..........................................................................................................................................16

Апробация работы....................................................................................................................................................................................17

Публикации....................................................................................................................................................................................................18

Структура и объем диссертации................................................................................................................................................18

Содержание работы................................................................................................................................................................................18

ГЛАВА 1. Обзор литературных данных и постановка задачи приготовления котельного

композитного топлива на основе жидкого навоза и нефтешламов............................................................21

1.1. Основные проблемы приготовления композитных топлив....................................................................21

1.1.1. Механоактивация отходов биомассы сельхозпроизводителей......................................................22

1.1.2. Сравнительная характеристика существующего комплекса обрабатывающего оборудования для истирания/дробления и диспергирования обводненной

биомассы............................................................................................. 24

1.1.3. Гидродинамические системы гомогенизации и диспергирования водных растворов............................................................................................ 25

1.1.4. Ультразвуковые системы гомогенизации обводненной биомассы....................... 26

1.1.5. Сложные волноводные излучающие системы............................................... 32

1.2. Котельные мазуты и водомазутные эмульсии (ВМЭ) как дисперсная среда композитных топ лив.............................................................................. 34

1.2.1. Основные процессы и механизмы приготовления водомазутных

эмульсий............................................................................................. 34

1.2.2. Физико-химические параметры ВМЭ согласно РД............................................ 37

1.2.3. Влияние физико-химических характеристик ВМЭ как гомогенной дисперсной

фазы на процессы горения....................................................................... 38

1.2.4. Реологические свойства отходов животноводства (экскрементов, фекалий,

навоза).................................................................................................. 42

1.2.5. Химический состав отходов животноводства и оценка их

горючести........................................................................................... 46

1.2.6. Характеристика обводненного навоза как гетерогенной дисперсной среды......... 53

1.2.7. Возможности приготовления гетерогенных дисперсных суспензий из навоза

и ВМЭ................................................................................................ 54

1.3. Выводы к главе 1.................................................................................. 55

ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование гибридной смесевой установки приготовления композитных топлив....................................................................................... 57

2.1. Обзор существующих типов диспергирующих устройств, их достоинства и

недостатки................................................................................................... 57

2.1.1. Динамические параметры гидромеханических систем..................................... 57

2.2. Обзор существующих ультразвуковых кавитационных аппаратов их достоинства

и недостатки................................................................................................. 63

2.2.1. Хемоакустическое воздействие как фактор интенсификации химических

реакций....................................................................................................... 67

2.2.2. Кавитационные явления в жидкостных средах..............................................................................................69

2.3 Определение физико-химических свойств получаемого продукта....................................................73

2.4. Горение котельного композитного биотоплива................................................................................................................80

2.5. Выводы к главе 2..................................................................................................................................................................................................................................84

ГЛАВА 3. Разработка и исследование опытно-промышленной установки

для приготовления жидких композитных топлив......................................................................................................86

3.1. Общие конструктивные особенности ОПУ............................................................................................................86

3.1.1. Принцип работы установки..............................................................................................................................................86

3.1.2. Состав ОПУ......................................................................................................................................................................................................87

3.2. Конструктивные особенности первой гидродинамической ступени ОПУ................................90

3.2.1. Устройство роторно-пульсационного (гидродинамического) аппарата (РПА)................90

3.2.2. Низкочастотная мпульсная акустическая кавитация образующаяся при работе роторно-пульсационного аппарата (РПА)..............................................................93

3.3. Технические характеристики проточного ультразвукового диспергатора - второй ступени ОПУ................................................................................................................................................................................................97

3.3.1. Проточный ультразвуковой диспергатор............................................................................................................97

3.3.2. Электроакустические преобразователи технологического

назначения (ЭАП)....................................................................................................................................................................................99

3.3.3. Магнитострекционный электроакустический преобразователь......................................................99

3.4. Оптимизация конструкции ОПУ и технические характеристики разработанного оборудования................................................................................................................................................................................................101

3.4.1. Расчет основных узлов........................................................................................................................................................102

3.4.2. Краткое описание ультразвукового генератора УЗГМ - 5А..............................................................109

3.4.3. Система циркуляции рабочей жидкости..............................................................................................................113

3.5. Порядок приготовления композитного топлива....................................................................................................114

3.6. Выводы к главе 3..................................................................................................................................................................................................................................116

Глава 4. Разработка методики экспериментальных исследований композитного

котельного биотоплива........................................................................................................................................................................117

4.1. Методика приготовления проб для микроскопических исследований............................................117

4.1.1. Методика отбора проб топлива для определения его качества и требований

безопасности................................................................................................................................................................................................117

4.2. Статистическое моделирование функции распределения воды в мазуте по

дисперсности................................................................................................................................................................................................118

4.2.1.Статистическое моделирование функции плотности распределения

в дисперсной фазе....................................................................................................................................................................................121

4.3. Экспресс-метод оценки состава композитного биотоплива методом оптической спектрометрии................................................................................................................................................................124

4.4. Количественный спектральный анализ......................................................................................................................131

4.5. Расчет горения жидкого композитного биотоплива......................................................................................137

4.6. Выводы по главе 4................................................................................................................................................................................................................................143

ГЛАВА 5 «Технико- экономическое исследование целесообразности использования

композитных топлив на основе отходов животноводства и нефтепереработки»........................144

5.1. Технико-экономическое обоснование композитного биотоплива..................................................147

5.2. Выводы к главе 5............................................................................................................................................................................150

Общие выводы и результаты..........................................................................................................................................................151

Список литературы..........................................................................................................................................................................................................................................153

Приложение..................................................................................................................................................................................................................................................................184

Введение

Актуальность альтернативных малых автономных тепло и электрогенерирующих установок

Агропромышленный комплекс (АПК) России в настоящее время сталкивается с проблемой утилизации огромных объемов отходов сельского хозяйства. Они просто вывозятся с территорий ферм и складируются. Это приводит к многочисленным проблемам - закислению почв, отчуждению сельскохозяйственных земель, загрязнению грунтовых вод и выбросам в атмосферу метана - парникового газа, образующегося при разложении данных видов органических отходов.

Создавая значительные экологические проблемы, отходы АПК, с другой стороны, являются существенным энергетическим ресурсом с возможностью получение биогаза и жидких топлив и дальнейшей возможностью получения тепловой и электрической энергии. Развитие биоэнергетики - это комплексная задача, включающая не только решение проблемы отходов, но и решение энергетических проблем сельского хозяйства.

Регионы с развитым сельским хозяйством (Белгородская область, Краснодарский край, Алтайский край и др.) и высокой концентрацией ресурсов для производства «зеленой» энергии являются в основном энергодефицитными и энергоснабжение сельхозпроизводителей здесь осуществляется по остаточному принципу.

Энергетический потенциал биомассы значителен: согласно исследования проведенные Институтом энергетической стратегии, показывают, что в настоящее время ежегодный объем органических отходов, производимых АПК и в городами по всем регионам России, в сумме составляет почти 700 млн. тонн (около 100 ООО тонн в час).

Использование этого потенциала является важной задачей для улучшение снабжения энергией предприятий сельского хозяйства. Однообразие базовых физико-химических свойств различных видов сельскохозяйственных отходов в

принципе позволяет создать универсальную технологию их утилизации с приготовлением биотоплива для получения тепловой и электрической энергии. Проблемы отходов животноводства

По информации Росстата на начало 2013 года, поголовье крупного рогатого скота в хозяйствах всех категорий России - 9,05 млн голов. Крупнейшими по численности коров являются Приволжский, Сибирский и Южный федеральные округа. Совокупная доля поголовья в них составляет 62 % от общего количества коров в РФ. Одинаковые доли в федеральной структуре занимали Центральный и Северо-Кавказский округа. Среди регионов лидерами по численности поголовья коров являются республики Башкортостан, Дагестан, Алтайский край и Республика Татарстан. Республика Башкортостан уверенно занимает первое место в России по количеству крупного рогатого скота — 1293,3 тысячи голов. На втором месте — Татарстан (1094,6 тысячи), на третьем - Дагестан (1019,7 тысячи).

Поголовье свиней на начало 2013 года во всех категориях хозяйств России составило около 20 млн. голов, что на 3,0% больше, чем на аналогичную дату 2012 г. При этом тенденция к росту численности животных в сельхозорганизациях сохраняется, в то время как в хозяйствах населения и крестьянско-фермерских хозяйствах численность животных продолжает сокращаться. Так, поголовье свиней в сельхозорганизациях возросло на 10,0% (на 1 351 тыс. голов) — до 14 928 тыс. голов, в хозяйствах населения численность животных, напротив, сократилась на 11,8% (на 651 тыс. голов) — до 4 854 тыс. голов, в крестьянско-фермерских хозяйствах — на 13,9% (на 87 тыс. голов) — до 538 тыс. голов.

По данным Всероссийского научно-исследовательского, конструкторского и проектно-технологического института органических удобрений и торфа (ВНИПТИОУ) каждая корова ежедневно производит в среднем 40 кг навоза, свинья - 4,5 кг, бройлер - 100 г. В общей сложности каждый день в стране производится более 450 тыс. тонн помета, навоза и стоков, из которых почти половина никак не используется. По данным ВНИПТИОУ сегодня более 2 млн га

земли занято под хранение навоза. То есть отходами животноводства покрыта площадь, равная почти половине территории Московской области.

Сохранение и продолжающееся укрупнение животноводческих комплексов объясняется высокой степенью механизации и автоматизации технологических операций на таких комплексах, позволяющих иметь высокую производительность труда, эффективно с высокой окупаемостью использовать корма и, как следствие, резко снижать себестоимость продукции.

Вместе с тем, эксплуатация крупных животноводческих комплексов сопровождается ухудшением экологических условий окружающей их природной среды. Технологии производства продукции на комплексах, особенно крупных свиноводческих, предусматривают в основном бесподстилочное содержание животных, когда экскременты удаляются с помощью гидросмыва.

В таблице 1 показана зависимость объемов навозных стоков на животноводческих комплексах от способов их уборки и удаления.

Таблица 1 - Объем сточных вод промышленных комплексов в зависимости от способов их удаления

Количество единовременно содержащихся голов Выход экскрементов, тыс. куб. м/год Выход стоков, тыс. куб. м/год

при самосплаве при гидросмыве

Производство свинины

24000 70,5 96,8 195,5

73000 239,0 321,0 940,0

Производство говядины

10000 94,8 113 —

30000 493,0 - —

Производство молока

800 16,0 18,9 30,6

1200 24,0 28,5 46,0

Энергетический потенциал отходов соответствующих продовольственной

корзине S=9000 кВт-ч/год

<.° ° ® *

На крупных комплексах объем жидких навозных стоков составляет от нескольких десятков и сотен до нескольких тысяч тонн в сутки. Эти жидкие органические отходы являются ценнейшим сырьем для производства электрической и тепловой энергии. Энергетический потенциал биомассы

Минсельхоз России имеет намерения

существенно расширить масштабы производства агропромышленным комплексом тепловой, электрической энергии и биотоплива за счет

использования в естественном или переработанном виде биомассы. Энергетический потенциал биомассы внушителен - согласно исследованиям, проведенным Институтом энергетической стратегии, в настоящее время, ежегодный объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу):

• 350 млн. т (53 млн. т. с. в.) - животноводство,

• 23 млн. т (5.75 млн. т. с.в.) - птицеводство,

• 220