32

АНОТАЦІЯ

У роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення задачі підвищення ефективності процесу отримання енергії із соломи зернових та зменшення енерговитрат на процес сушіння зерна шляхом узгодження конструктивно-технологічних параметрів камери газоутворення газогенератора і фізико-механічних властивостей сировини, з якої отримують генераторний газ.

Сучасне техніко-технологічне забезпечення сушильних виробництв залишається матеріало- та енергомістким. Аналіз складових витрат енергії на процес сушіння свідчить, що раціональним напрямом їх зниження є використання енергоносіїв з відновлювальних джерел енергії.

Використання в технологіях енергозабезпечення процесу сушіння зернових генераторного газу з соломи має ряд переваг в порівнянні з технологіями її прямого спалювання, а саме: рівномірну щільність і температуру теплового потоку; невисоку металомісткість конструкції; можливість використання систем автоматизації управління і контролю надходження енергоносію на процес сушіння; високі екологічні показники.

Для виробництва газу з соломи запропоновано застосовувати прямопотокові газогенератори з модернізованою камерою газифікації, адаптованою під сировину рослинного походження.

ЗМІСТ

Вступ	3
1. Особливості використання рослинної сировини в якості біопалива	5
2. Аналіз конструкцій засобів виробництва генераторного газу	12
3. Аналіз досліджень впливу параметрів камери газоутворення на склад генераторного газу	18
4. Аналітичне встановлення параметрів камери газоутворення	19
5. Обґрунтування взаємозв’язків між геометричними параметрами камери газоутворення та показниками процесу газоутворення	25
Висновки	27
Список використаних джерел	29

ВСТУП

При вирощуванні та збиранні зернових значна частина зерна потребує післязбиральної доробки, а саме сушіння. Проте сушіння є енергозатратним процесом, що значно впливає на кінцеву вартість отриманої сільськогосподарської продукції. А зважаючи на те, що використання в процесі сушіння зернових генераторного газу, отриманого із відходів рослинництва, наприклад соломи, є одним із перспективних методів зниження енергетичних витрат, то необхідні дослідження з встановлення конструктивно-технологічних параметрів газогенераторних установок, адаптованих до сільськогосподарської рослинної сировини загалом, та соломи зернових зокрема.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесу отримання енергії із соломи зернових шляхом встановлення раціональних конструктивно-технологічних параметрів і режимів роботи камери газоутворення прямопотокового газогенератора, що використовується в технологічному процесі сушіння зернових.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішувати такі задачі:

– проаналізувати існуючі способи штучного сушіння зернових за енергоємністю і встановити можливість зниження енергоємності шляхом використання генераторного газу, отриманого з сільськогосподарської рослинної сировини; здійснити огляд досліджень процесу газоутворення та режимів роботи газогенераторів на рослинній сировині, конструктивно-технологічних параметрів камери газоутворення з оглядом на особливості використання соломи зернових;

– виконати аналітичне техніко-технологічне обґрунтування параметрів роботи комплексу зерносушарка – газогенератор із мінімальними енерговитратами;

– теоретично обґрунтувати вплив конструктивно-технологічних параметрів камери газоутворення і фізико-механічних властивостей сільськогосподарської рослинної сировини на теплопродуктивність газогенератора і на енергоємність процесу сушіння зернових;

– експериментально визначити умови, за яких теплопродуктивність газогенератора найвища (дослідити вплив на теплопродуктивність газогенератора відносної вологості сировини, діаметра кола встановлення фурм і режиму газоповітряного дуття);

– розробити інженерну методику визначення параметрів камери газоутворення і газогенератора на рослинній сировині, адаптованого до енергоживлення зернової сушарки;

– провести виробничу перевірку та дати техніко-економічну оцінку одержаних науково-технічних результатів.

Об’єкт дослідження – технологічний процес отримання енергії із соломи зернових з допомогою камери газоутворення газогенератора, адаптованого до енергозабезпечення зернової сушарки.

Предмет дослідження – залежності впливу конструктивно-технологічних параметрів та режимів роботи камери газоутворення газогенератора на ефективність отримання енергії із соломи зернових та продуктивність роботи зернової сушарки.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням основних положень інтегрального та диференціального числення, газодинаміки, теплотехніки, хімії. Експериментальні дослідження проводились з використанням газогенераторної установки Житомирського національного агроекологічного університету (ЖНАЕУ).

Практичне значення одержаних результатів полягає у зниженні енерговитрат процесу сушіння зернових, поліпшення ефективності технологічного процесу отримання енергії шляхом хіміко-термічної конверсії сільськогосподарської рослинної сировини в прямопотокових газогенераторах завдяки встановленню раціональних параметрів і режимів роботи камери газоутворення.

В ході дослідження встановлено, що використання конструкції камери газоутворення, адаптованої до фізико-механічних властивостей сировини, та узгодженого режиму газоповітряного дуття дозволяє підвищити теплопродуктивність газогенератора порівняно з аналогами на 18 – 22 %.

1. Особливості використання рослинної сировини в якості біопалива

Відомо, що значна частина зернових потребує сушіння. Процес сушіння – основна технологічна операція з приведення зерна і насіння до стійкого стану шляхом видалення з матеріалу рідини, збільшуючи при цьому відносний вміст сухої частини. В Україні знайшли застосування три основні способи сушіння зернових: термічний (в тому числі і вакуумний), сорбційний (контактний), механічний (відтисканням, центрифугуванням) [8]. Найбільш ефективним способом консервації вологого зерна є метод термічного сушіння [6], до переваг якого відносяться: універсальність (фуражне, продовольче, насіннєве); придатність до транспортування, подальшої переробки і тривалого зберігання зернових без погіршення якісних показників; можливість автоматичного керування процесом обробки. Способи сорбційного і механічного сушіння використовуються доволі обмежено: механічний – у мийних машинах борошномельних заводів; сорбційний, через брак дешевого сорбенту з високою здатністю легко зневоднюватись і регенеруватись – в рециркуляційних сушарках при змішуванні сухого і вологого зернового матеріалу.

Серед різноманіття способів термічного сушіння найбільш розповсюдженим є метод зневоднення конвективним висушуванням за атмосферного тиску [9], при якому теплота передається до зерна агентом сушіння, що складається з суміші топкових газів з повітрям або від чистого повітря, попередньо нагрітого в теплообмінну апараті [12, 16, 20]. Зазначений принцип покладений в основу роботи рециркуляційних, стрічкових, шахтних, барабанних та інших сушарок. Спосіб конвективного сушіння може бути високотемпературним і низькотемпературним, при чому шар зернового матеріалу перебуває у нерухомому, щільному, щільнорухомому, завислому, псевдорозрідженому, падаючому, віброкиплячому станах.

З метою забезпечення конкурентоспроможності зернової продукції як на внутрішньому ринку України, так і на зовнішньому, сучасні інженерно-технологічні рішення з питань створення сучасного зерносушильного обладнання повинні включати енергетичні та екологічні складові його подальшого функціонування. Із загальної кількості енергоресурсів, витрачених на виробництво зерна, прямі витрати на сушіння складають 30 – 35 %, а доля енерговитрат в собівартості сушіння складає 75 – 80 %, тому активно здійснюються пошуки в напрямку виявлення резервів їх зниження.

Отже, було проаналізовано способи зниження енергоємності процесу сушіння згідно алгоритму матеріал→обладнання→технологія→енергоносій, за яким виділено чотири основні групи заходів.

Перша група заходів включає технічні, технологічні, агротехнічні способи зміни початкового стану матеріалу, що подається на сушіння, чим забезпечується зниження енерговитрат процесу на 15 – 20% порівняно з сушінням без попереднього нагрівання.

Друга група заходів включає: способи підвищення коефіцієнту корисної дії вузлів сушильної установки, шляхом оптимізації енергетичної складової режимів процесу сушіння (наприклад, застосування рециркуляції зменшує витрати енергоносію на 30%) та удосконалення конструктивно-технологічних параметрів сушильних апаратів; методи удосконалення прийомів експлуатації обладнання сушильних установок за рахунок механізації і автоматизації процесів. Автоматизація процесів забезпечує можливість контролю і регулювання процесу сушіння відповідно до зміни вихідних параметрів зовнішнього середовища або стану матеріалу (вологість, температура, подача і т.д.), внаслідок чого інтенсифікується процес сушіння і мінімізуються енерговитрати шляхом зменшення проміжків непродуктивної роботи обладнання [13].

Третя група заходів включає шляхи інтенсифікації процесу сушіння удосконаленням або розробкою нової технології, яка базується на використанні закономірностей міграції вологи, як в усьому шарі сипучого зернового матеріалу, так і в кожній окремій зернині (комбінування процесів сушіння зерна з процесом відлежування шляхом імпульсно-періодичної подачі агенту сушіння) [18].

Четверта група заходів включає шляхи заміни традиційних видів палива відходами сільськогосподарського виробництва, а саме соломою зернових, лушпинням соняшника, стержнями кукурудзяних початків, відходами лущення рису та ін. [27].

Рис. 1. Сільськогосподарська сировина, що може бути використана для виробництва генераторного газу

Оскільки метою ведення сільськогосподарського виробництва є отримання максимального прибутку, зернопереробні підприємства України доречно забезпечити такими технологіями і технічними засобами післязбиральної доробки зернових, що забезпечили б зменшення капіталовкладень на обробку зерна, не вимагали б застосування складних організаційних і технічних рішень, гарантували б доведення якості зерна до ринкових вимог. Одним з шляхів задоволення вищезазначеного є введення в енергетичний баланс даних підприємств енергоносіїв з відновлювальних джерел енергії. Але використання цих енергоносіїв є процесом, що потребує заміни, або удосконалення існуючого технічного обладнання і технологічного забезпечення з врахуванням потреб суміжних галузей сільськогосподарського виробництва.

Розгорнута класифікація рослинних відходів сільськогосподарського виробництва з метою їх подальшого використання для виробництва палива (наприклад генераторного газу) наведена на рисунку  1, згідно з якою усі рослинні залишки поділяються за гранулометричним складом, насипною щільністю, вмістом вологи, етапом утворення і т.д. [4, 6, 23].

Враховуючи поширеність, доступність та здатність до відтворення рослинних відходів, здатність до конверсії в сучасний та зручний до споживання вид енергоносію, можливість створення нового або адаптації існуючого обладнання до виробництва енергії з даного виду сировини можна зробити висновок, що енергетичний потенціал біомаси України є одним з найбільших серед країн ЄС і становить 43 млн. т. у. п.. Проте частка відновлюваних джерел енергії, що використовується, незначна і складає 5,6 млн. т. у. п., що еквівалентно 2,8% загального споживання енергоносіїв (частка біомаси складає 18% відновлюваних джерел енергії) [33].

Аналіз цифрових значень теплоти згоряння різних видів сільськогосподарської рослинної сировини з метою її подальшого використання в енергетичних цілях наведено в таблиці 1. Теплота згоряння розрахована за методиками, а основні розрахункові формули наведені в [10].

Конструктивні параметри токового пристрою зернових сушарок і умови його експлуатації залежать від виходу летючих палива (газоподібних продуктів розпаду), які утворюються шляхом хіміко-термічного розкладання нестійких сполук горючої маси рослинної сировини під час нагрівання.

Таблиця 1

Зольність та теплота згоряння залишків сільськогосподарських культур

Залишки с.-г. культур	Зольність сухої маси, %	Нижча теплота згоряння Qнр сухої маси, МДж/кг	Нижча теплота згоряння Qнр при вологості WР=20%, МДж/кг	Розрахункова формула для Qнр, МДж/кг [50]
Житні	4,5	17,0	13,6	15,309 – 0,1781·W
Пшеничні	6,5	17,8	13,5	16,261 – 0,1876·W
Ячмінні	4,5-5,9	17,4	13,4	16,914 – 0,1941·W
Вівсяні	4,9	16,7	12,9	16,261 – 0,1876·W
Солома в середньому	5,0	17,4	13,5	–
Лузга проса	7,0	17,8	16,86 при вологості 7,5%	339·СР+1030·НР – 109·(ОР – SР) – 25·WР
Лузга соняшника	5,0	19,3	14,6	339·СР+1030·НР – 109·(ОР – SР) – 25·WР
Рапсова солома (ріпак)	5,9	17,0	16,0	17,520 – 0,2002·W
Стебла та початки кукурудзи	4,6	18,0	16,5	16,261 – 0,1876·W
Льонокостра	6,0	21,0	19,6	339·СР+1030·НР – 109·(ОР – SР) – 25·WР
Брикети з соломи	4,0	18,8	16,5	–

Солом’яні брикети та гранули мають теплоту згоряння 18,8 МДж/кг майже рівну теплоті згоряння кам’яного вугілля  25 МДж/кг, але істотно нижчий вміст сірки (0,2 %) і золи (4 %) в порівнянні з кам’яним вугіллям (вміст сірки – 3 %, золи – 35 %) дані згідно таблиці 1.4. В топках зерносушарок, як правило, спалюють газ, рідке паливо та вугілля різних родовищ. На багатьох сільськогосподарських підприємствах через відсутність газифікації використовують дизельне пальне. При сушінні зерна сумішшю топкових газів з повітрям, безпосередній контакт зернової маси з продуктами згоряння погіршує її якість через можливість проникнення в кінцевий продукт канцерогенних компонентів. Основними забруднюючими речовинами є частинки сажі, окис азоту (NО_х), окис вуглецю (СО), окис сірки (SО_х), вуглеводні. Обов’язково слід відзначити небезпеку потрапляння іскор недогорівшого палива в зону сушіння, що може викликати загоряння зернової маси [18]. Отже, використання соломи замість традиційних викопних видів палива, не лише забезпечить відповідну якість кінцевого продукту, але сприятиме відновленню екологічної рівноваги.

Таблиця 2

Порівняльна характеристика властивостей різних видів палива

Вид палива	Вологість матеріалу,%	Теплотворна здатність, МДж/кг	Вміст сірки,%	Вміст золи, %
Природний газ	–	35 – 38	–	–
Кам’яне вугілля	–	15 – 25	1 – 3	10 – 35
Паливо моторне	–	42,5	0,2	1,0
Мазут	–	42	1,2	1,5
Тріски дерев, тирса	40 – 45	10,5 – 12	–	2,0
Брикети, гранули з деревини	7 – 8	16,8 – 21,0	0,1	1,0
Брикети, гранули з соломи	8 – 10	16,5 – 18,8	0,2	4,0

Джерело: [2]

В Україні набувають широкого розповсюдження зернові сушарки, де в якості енергоносію використовується солома. Конструкції теплогенераторів і топок до зерносушильних комплексів зазначеного типу представлені в Україні такими фірмами: вітчизняними – ОАО «Бриг», ООО «Дозамех Україна» (BIO-PAL AIR 750 та BIO-PAL AIR 1100), «БІОРЕСУРС УКРАЇНА», «GCS – Зернові комплекси і системи»; іноземними – ALLBIZ , Strahl, AG Project , Drzewicz, Riela, Araj, Feerum.

Окремі конструктивні рішення топок зазначених комплексів відрізняються кількістю камер згорання та їх розташуванням, потужністю установки, періодичністю дії, екологічністю та простотою обслуговування. Показники надійності та довговічності роботи таких камер залежать від умов роботи та матеріалу їх робочих елементів. Велике значення для ефективного сушіння зерна є стабільність і однорідність теплового потоку, що забезпечується безперебійністю і рівномірністю подачі виваженої порції рослинних відходів і пов’язані з цим проблеми розробки дозувальних пристроїв, систем подачі палива, пристроїв запобігання зависанню палива в робочих органах топок зерносушарок.

Однак існує ряд недоліків, пов’язаних з технологією сушіння зернової маси шляхом прямого спалювання соломи, а саме:

– циклічність процесу згоряння завантаженої порції соломи призводить до циклічності зміни температури агенту сушіння і, як наслідок, до порушення стабільності роботи сушарки (зміни температури сушильного агенту носять синусоїдальний характер);

– малий термін служби елементів конструкцій топок з вуглецевої або низьколегованої сталі через постійне перебування в зоні високих температур (основні пошкодження – прогоряння камери; корозійне зношення нижньої частини кожуха топки, зношення і руйнування сегментів повітроводів, прогоряння заднього розподільного конуса топкового циліндру);

– наявність механічної і хімічної неповноти згоряння соломи через низьку температуру в зоні горіння, і, як наслідок, високий процент зольності;

– наявність розгерметизації і потрапляння топкових газів в робочу зону обслуговуючого персоналу;

– необхідність додаткових витрат на сільськогосподарську техніку і навантажувачі для тюків соломи вагою до 300 кг і діаметром до 1,5 м;

– необхідність додаткових витрат на механізми усунення золи з колосникових решіток і зольників і її подальшу утилізацію;

– додаткові капітальні вкладення на обов’язкове подрібнення сировини для спалювання, якщо це передбачено технологією;

– великі габаритні розміри топок, іноді необхідність в двох топках одночасно (габаритні розміри BIO-PAL AIR 1100 464063554210 мм);

– висока металомісткість обладнання;

– відсутність систем автоматизації управління процесом сушіння зерна і контролю параметрів сушіння зерна з фіксацією на електронних носіях.

Найбільш якісний процес сушіння досягається шляхом спалювання газоподібного палива. Основними перевагами спалювання в топках сушарок горючих газів є можливість: інтенсифікації процесу горіння, скорочення розмірів камери згоряння, усунення контакту зерна з шкідливими викидами.

Ефективним шляхом комплексного вирішення проблем енергетики і екології при термічній обробці зерна є використання в технологіях генераторного газу, отриманого в результаті процесу газоутворення з соломи.