Математичне моделювання процесу вироблення синтез-газу для різних порід деревини в газогенераторі з суцільним шаром Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 621 Астр. С. С. Лис1 - НЛТУ Украти, м. Львiв

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ВИРОБЛЕННЯ СИНТЕЗ-ГАЗУ ДЛЯ Р1ЗНИХ ПОР1Д ДЕРЕВИНИ В ГАЗОГЕНЕРАТОР1 З СУЦ1ЛЬНИМ ШАРОМ

Розроблено математичш моделi процесу вироблення синтез-газу для рiзних по-рiд подр1бнено'1 деревини у газифiкаторi з суцiльним шаром. Здшснено пошук оптимального р1шення, тобто знаходження таких значень факторiв у межах дiапазону "х змши, за яких вихiдний параметр досягае максимуму на основi рiвняння регресп. Ця модель дае змогу отримати детальну iнформацiю про нижчу теплоту згорання синтез-газу залежно вщ вхщних факторiв, якi впливають на процес газиф1кацп. При цьому можливе ютотне скорочення значних коштiв та ресурав, що витрачаються для отримання необхщно1 шформацп вiд проведення експериментальних дослщжень.

На сьогодш розроблеш та висв^леш в л1тературних джерелах та на-укових статтях математичш модел1 процесу газифiкацii деревини, як дають змогу побудувати методику розрахунку параметрiв робочого процесу в гази-фшатор^ засновану на рiвняннях теплового i матерiального балансiв, виго-рання i газифiкацii вуглецю, а також теплообмiну часток з шаром iз стшкою реактора [4].

Математичне моделювання процесу газифшаци деревини сприяе тд-вищенню еколопчних показникiв процесу, скороченню термшв розробки апаратiв, модернiзацii iснуючих шженерних методiв розрахунку та проекту-вання обладнання, пошуку оптимальних умов функцюнування апаратiв та ра-цiональних шляхiв використання палива [2].

Для технолопчного процесу вироблення синтез-газу розроблено газогенератор з суцшьним шаром (рис. 1), на який отримано патент [5] та викона-но комплекс дослщжень з використанням сучасно!" методологи та досягнень сучасно!" науки i технiки.

Газогенератор працюе так. У камеру пiролiзу 4 (рис. 1) заванта-жуеться паливо (подрiбненi вiдходи деревини, та iн.) через отвiр 8. Газифжа-цiя палива вщбуваеться шляхом його тлiння за браку кисню для горшня. Для забезпечення процесу газифжаци палива нагштаеться повiтря через колосни-кову решггку 6 в камеру пiролiзу 4. Синтез-газ, який утворюеться в процес газифжаци, спрямовуеться в мiжконусний прослр 13, i виходить через патрубок у верхнш частинi газогенератора i рухаеться по трубi 9, яка знаходиться в кожус 11, по якому надходить повггря в нижнш мiжконусний простiр 14. Та-ка конструкцiя труби дае змогу на^вати повiтря, яке нагнiтаеться, в камеру пiролiзу i одночасно охолоджувати синтез-газ. У нижнш частиш корпуса газогенератора 2 передбачено золоуловлювальний пристрш 14 з люком 15 для видалення золи i запалювання палива за допомогою смолоскипа.

Оригшальшсть конструкцii полягае в тому, що камеру пiролiзу вико-нано у виглядi двох зрiзаних конусiв, бiльшi основи яких розмiщенi назустрiч один одному, що виключае зависання палива i його винос у патрубок у верхнш частиш газогенератора; пристрш для подачi окислювача-повггря, вщ

1 Наук. кер1вник: проф. В.В. Шостак, д-р техн. наук - НЛТУ Украши

нагнiтача, виконано з кожухом, всередиш якого встановлено трубу для вщве-дення синтез-газу з верхньо! частини корпуса до споживача та для зливу сконденсованих речовин, що дае змогу на^вати повiтря, яке нагштаеться в камеру mролiзу, i охолоджувати синтез-газ; зрiзанi конуси корпуса з'еднанi болтами, що забезпечуе простоту в обслуговуванш.

Паливо

Рис. 1. Конструктивна схема лабораторно'1 газогенераторное установки: корпус

- 1,2; болтове з'еднання - 3; камера газифтацп - 4; нижнш зр1заний конус - 5; колосниковарештка - 6; верхнш зр1заний конус - 7; люк - 8; труба для в1дведення синтез-газу - 9; в1дсттник сконденсованих речовин - 10, кожух для охолодження

синтез-газу - 11; нагнтач повтря - 12; м1жконусний прост1р - 13; золоуловлювальний пристрш - 14; люк для видалення золи та запалювання палива -15; шлюзовий затвор - 16; термопара - 17; радарний м1крохвильовий р1внем1р - 18; термопара - 19; витратом1р повтря - 20; патрубок для в1дведення синтез-газу

споживачев1 - 21

У процес проведення експериментальних дослщжень використовува-ли деревину рiзних порщ: вербу (Salix alba L.) волопстю 41 %, сосну (Pinus sylvestris) волопстю 43 0%, березу (Betula pendula Roth.) волопстю 40 0%, час-тинки яко! попередньо нарiзали вщповщними довжинами l.

Вплив вологост на процес газифжацп деревини не дослщжувався ос-кiльки це питання достатньо описане в л^ературних джерелах (чим бшьша вологiсть деревини, тим менша теплота згорання синтез-газу). Газифжують деревину вологiстю до 60 %.

Змшш вхiднi Xi-фактори експериментальних дослщжень процесу гази-фшаци деревини:

• розм1ри фракцш деревини 1: 10, 20, 30, 40, 50 мм;

• кшьшсть иов1тря, яку подають у газогенератор О: 40, 65, 90 нм3/год.;

• кшьшсть деревини в газогенератор! вщ загального об'ему д:50,75,100 %.

Вихiдний параметр у - нижча теплота згорання синтез-газу, МДж/м .

Постановка завдання. Завдання полягае в знаходженш залежност нижчо! теплоти згорання синтез-газу вщ розмiрiв подрiбненоl деревини, яка подаеться в газогенератор, кшькосп повiтря та кшькосп палива вiд загального об'ему реактора.

Даш кожного досшду шддавались попередньо статистичнiй обробцi з метою вщшукання грубих помилок, сумтвт результати, крiм цього, перевь ряли за допомогою t-критерiю Стьюдента.

Як план експерименту для дослщження впливу розмiрiв деревини, кiлькостi повiтря, яке подаеться, та кшькосп палива в реакторi газогенератора на нижчу теплоту згорання синтез-газу було застосовано В-план (В3).

Рiвняння регреси, яке можна отримати внаслiдок реалiзацil плашв другого порядку, тобто плану, за допомогою якого можна отримати матема-тичний опис об'ектiв у виглядi полiному другого порядку, мае вигляд:

к к к у = Ь0 + X Ъхг + X Ьх2 + X ЪуХ1%].

г =1 г =1 г, ]=1

де: х - змшш фактори; Ь - коефщенти рiвняння; к - кiлькiсть змiнних факторiв.

Пiсля оброблення експериментальних даних i отримання рiвняння регреси, приступили до 1х статистичного аналiзу. При цьому виршували два основних завдання: оцшювали значущiсть коефiцiентiв регреси i перевiряли адекватнiсть математично! моделi [2].

Результати розрахунку В3-плану

Табл. 1. Рiвнi й штервали змшювання факторiв

Назва фактора Позначення фактора Р1вт зм1нювання фактора 1нтервал зм1нюван-ня фактора

нату-ральне нормаль зоване нижнш (-1) основ-ний (0) верхнш (+1)

Розм1ри деревини, мм 1 Х1 10 30 50 20

Кшьшсть повггря, нм3/год. О Х2 40 65 90 25

Кшьшсть палива в реак-тор1 газогенератора, % а Х3 50 75 100 25

Табл. 2. Розрахунок коефiцieнтiв регреси Ьц, критерЮ Кохрена Ор та критерЮ _Фшера ¥р [1, 2] для сосново'1 деревини_

Ь0 Ь1 Ь2 Ь3 Ьц Ь22 Ь33 Ь12 Ь13 Ь23 От Ор Бт Рр

9,73 0,87 0,14 0,11 -1,50 -0,52 -0,27 -0,02 -0,01 0,02 0,48 0,095 2,5027 0,2554

Внаслiдок реашзаци В3-плану отримано математичний опис об'екта у виглядi полiному другого порядку, який мае вигляд:

у = 9.73 + 0.87 • XI + 0.14 • х2 + 0.11- х3-1.50 • х? - 0.52 • х| -

-0,27 • х32 - 0.02 • х1 • х2 - 0.01- х1 • х3 + 0.02 • х2 • х3

З табл. 3 видно, що Ор < От, то дослщи можна вважати вщтворювани-ми. Якщо < Бт, то модель вважають адекватною i 11 може бути використано для опису об'екта [1-3].

Виконавши оптимiзацiю результатiв В3-плану [1-3] для сосново! дере-вини, отримаемо значення вхiдних параметрiв, за яких нижча теплота згоран-ня досягае максимуму (табл. 3).

Табл. 3. Значення вхiдних параметрiв, за яких нижча теплота згорання _досягае максимуму_

Оптим1защя

Фактор кодоват значення фактор1в натуральт значення фактор1в

Х1 опт. 0,287 35,741 мм

х2 опт. 0,138 68,451 нм3/год.

х3 опт. 0,199 79,986 %

ур У опт. 9,877 МДж/м3

Аналопчш розрахунки В3-плану виконано для шших порщ деревини, результати яких наведено нижче.

у = 9.6 + 0.85 • XI + 0.16 • х2 + 0.11 х3-1.50 • х2 -

-0.5 • х| - 0,23 • х2 - 0.04 • XI • х2 + 0.01" XI • х3 + 0.01 • х2 • х3

Табл. 4. Результати реалiзацi В3-плану для вербовой деревини

Оптим1защя

Фактор кодоват значення фактор1в натуральт значення фактор1в

Х1 опт. 0,281 35,628 мм

х2 опт. 0,146 68,657 нм3/год.

х3 опт. 0,238 80,971 %

ур У опт. 9,74 ^5 МДж/м3

у = 9.91 + 0.86 • XI + 0.14 • х2 + 0.11 • х3-1.50 • х^ -

-0.51 • XI -0,26 • х2 - 0.02 • XI • х2 - 0.01XI • х3 + 0.03 • х2 • х3

Табл. 5. Результати реалiзацu В3-плану для березовое деревини

Оптим1защя

Фактор кодоват значення фактор1в натуральт значення фактор1в

Х1 опт. 0,284 35,681 мм

х2 опт. 0,142 68,560 нм3/год.

х3 опт. 0,214 80,368 %

ур .У опт. 10,058 МДж/м3

Рис. 2. Залежшсть (ур) нижчоё теплоти згорання синтез-газу, визначеноi за рiвнянням регреси, eidрозмiрiв деревини (I) за середн1х оптимальних значень

тлькост1 повтря (0аопт=70нм3/год.) та кiлькостi деревини в реакторi газогенератора (ц_с.опш=80 %) длярiзних порiд деревини.

Висновки. Оптимальш параметри роботи газогенератора практично однаковi для рiзних порщ деревини. Максимальна нижча теплотворна здат-шсть синтез-газу за вщповщних оптимальних вхщних параметрiв змшюеться на « 0,2 МДж/м3 залежно вiд породи деревини, яка газифжуеться, так yPc0cнa = 9,877 МДж/м3, yрверба = 9,745 МДж/м3, yрбереза = 10,058 МДж/м3.

Л1тература

1. Грицак С.А. Науков1 дослщження в деревообробщ : методичш вказ1вки / С. А. Гри-цак, О.А. Кшко, А.С. Куштт. - Льв1в : НЛТУ Украши, 2002. - 24 с.

2. Пилипчук МЛ. Основи наукових дослщжень : пщручник / Пилипчук М.1., Гри-гор'ев А.С., Шостак В.В. - Льв1в : Вид-во "Знания". - 2007. - 234 с.

3. Пилипчук М.1. Основи наукових дослщжень : лабораторний практикум / Пилипчук М.1., Григор'ев А.С., Павлюк Р.В. - Льв1в : Вид-во "Знання". - 2004. - 642 с.

4. Баштовой А.И. Математическое моделирование процесса газификации древесины // Промышленная теплотехника / А.И. Баштовой, Е.В. Скляренко, 2006. - Т. 28. - № 6. -С. 71-77.

5. Патент УкраТни "Газогенератор" [а.с. Украши № 38952, МКП C10J 3/00, надрукова-но 26.01.2009 р.].

Лыс С. С. Математическое моделирование процесса выработки синтез-газа для разных пород древесины в газогенераторе со сплошным слоем

Разработаны математические модели процесса выработки синтез-газа для разных пород измельченной древесины в газификаторе со сплошным слоем. Проведен поиск оптимального решения, то есть нахождение таких значений факторов в пределах диапазона их изменения, при которых исходный параметр достигает максимума на основе уравнения регрессии. Данная модель позволяет получить детальную информацию о низшей теплоте сгорания газа синтеза в зависимости от входных факторов, которые влияют на процесс газификации. При этом возможно существенное сокращение значительных средств и ресурсов, которые тратятся при получении необходимой информации от проведения экспериментальных исследований.

Lys S.S. Mathematical model of process of making of synthesis gas for the different breeds of wood in a gazogene with a continuous layer

The mathematical models of process of making of synthesis gas are worked out for the different breeds of wood in a gazogene with a continuous layer. The search of optimal decision is conducted, id est being of such values of factors within the limits of range their

changes at which an initial parameter arrives at a maximum on the basis of equalization of regression. Model allows to get the detailed information about quality of synthesis-gas depending on entrance factors which influence on the process of gasification. Substantial reduction of considerable money and resources which are spent at the receipt of necessary information from realization of experimental researches is possible.

УДК 332.64 Студ. М. Т. Матв1енко;

доц. В.П. ОлЬферчук, канд. бюл. наук - НЛТУ Украти, м. Льв1в

РОЛЬ М1КРОФЛОРИ Б1ОГАЗОВО1 УСТАНОВКИ В ПРОЦЕС1 П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 МЕТАНОУТВОРЕННЯ

1з бюгазово'х' установки було видшено три штами метанотвiрних бактерш. Створена на !х основi асощащя тдвищила ефективнють метаноутворення та скоротила час видшення бюгазу. Сформована асощащя рекомендуеться для застосування в ме-тантенках з рiзним субстратом.

Ключов1 слова: асощащя мiкроорганiзмiв, бюгаз, метантенк, ферментащя.

Стан питання. 1нтерес до проблеми надмiрного нагромадження вщ-ходiв, зважаючи на можливост !х повторного використання, останнiм часом значно зрю у зв'язку з впровадженням еколопчних бютехнологш та свповою енергокризою. Тому питання бютрансформаци оргашчного складника вщхо-дiв е актуальним та мае теоретичне i практичне значення [1, 2]. Проблема бь оконверсп вiдходiв анаеробними мiкроорганiзмами пов'язана також з потребою захисту навколишнього природного середовища вщ забруднень [3]. Си-ровиною для переробляння в анаеробних умовах можуть слугувати побутовi вщходи та стоки, вщходи сiльськогосподарського виробництва та iнших га-лузей, якi мiстять органiчний складник [4]. БюконверЫя органiчних вiдходiв рiзного походження дае змогу одержати корисш продукти - бiопаливо, бь огаз, еколопчно чистi добрива, органiчнi кислоти, промислово важливi фер-менти [5]. Анаеробну деградацiю бiополiмерiв здiйснюе багатовидова мжроб-на асоцiацiя, яка об'еднуеться мщними трофiчними зв'язками. Обов'язковими компонентами асощацй е первиннi анаероби пдролпично1 мiкрофлори (гiдро-лiзують бiополiмери), бродильно1 мiкрофлори (зброджують молекули моно-мерiв), ацетогенно1 мiкрофлори (перетворюють рiзноманiтнi продукти бродш-ня в субстрати метаногенезу) i вториннi анаероби - метанотвiрнi архе1 [6].

Методика дослвджень. Було виконано дослiдження мiкрофлори бь огазово1 установки, наповнено1 мулом з очисних споруд м. Львова [7]. Вияви-лось, що в установщ сформувалась стiйка асоцiацiя метанотвiрних та целю-лолiтичних бактерiй. Тут е висока концентращя органiчних речовин, вщнос-но швидке споживання кисню i постiйна температура. Цi умови i спричинили масовий розвиток усiх органiзмiв ланцюга анаеробного розкладання органiч-них речовин, включаючи метаногени, що трансформують С1 - С2 органiчнi сполуки, целюлозу, гнш i послiд у бюпаливо.

Вирощували видiленi архе1 на середовищд: "Р" з водень - вуглекислою сумшшю + намул, вщбраний на очисних спорудах м. Львова. Активне газо-утворення (СН4, Н2, СО2) спостерiгали у дослiдних зразках мулу метантенка