CC BY
1
Научная статья УДК 621.362 EDN FFDXPJ
https://doi.org/10.22450/1999-6837-2024-18-2-136-143
Пиролизная технология - основа для создания автономной пироэлектрической станции
Жанна Григорьевна Сивцева1, Варвара Петровна Друзьянова2, Юлия Сергеевна Кулешова3, Надежда Ивановна Кондакова4
1 Якутский индустриально-педагогический колледж имени В. М. Членова Республика Саха (Якутия), Якутск, Россия
2 3 Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова Республика Саха (Якутия), Якутск, Россия
4 Арктический государственный агротехнологический университет Республика Саха (Якутия), Якутск, Россия
1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected], 4 [email protected]
Аннотация. Развитие техники и технологий повлияло на социально-бытовой уклад жизни сельских жителей - меньше становится поселений, заготавливающих дрова и использующих печное отопление. Повсеместно жилье селян подключено к магистральным сетям отопления, производящим тепло на угольном, газовом, конденсатном или электрическом источниках. Однако человек становится более зависимым от таких благ, и в критических ситуациях может возникнуть опасность замерзания помещения в холодное время года. Аварийное отключение подачи тепла и электричества может привести к приостановке производства. Решением проблем может быть внедрение в селах автономных технологий, позволяющих из доступного сырья в виде отходов производства получать альтернативный источник энергии. Существуют различные способы производства альтернативного топлива - ветровая и солнечная энергетика, биогазовая и пиролизная технологии и другие. В каждом отдельном случае необходимо выявить наиболее подходящий способ, обосновать его технологически и экономически, подобрать цепочку надежного оборудования, теоретически и экспериментально подтвердить предложение и только после всего внедрить в производство. С учетом того, что в сельских поселениях образовался и хранится немалый объем отходов различного происхождения и, ввиду отсутствия в большинстве сел технологий по переработке и утилизации этих отходов, предпочтение следует отдавать технологиям, преобразующим отходы в альтернативное топливо без нанесения вреда экологии. В статье дается обоснование внедрения пиролизной технологии, рассмотрен вопрос о возможности применения автономной пироэлектрической станции для населения Нюрбинского района Республики Саха (Якутия).
Ключевые слова: пиролиз, пирогаз, пиролизная установка, утилизации сырья, автономная пироэлектрическая станция, пиролизная технология
Для цитирования: Сивцева Ж. Г., Друзьянова В. П., Кулешова Ю. С., Кондакова Н. И. Пиролизная технология - основа для создания автономной пироэлектрической станции // Дальневосточный аграрный вестник. 2024. Том 18. № 2. C. 136-143. https://doi. org/10.22450/1999-6837-2024-18-2-136-143.
Original article
Pyrolysis technology as a basis for creating an autonomous pyroelectric power plant
Zhanna G. Sivtseva1, Varvara P. Druzyanova2, Yulia S. Kuleshova3, Nadezhda I. Kondakova4
1 Yakutsk Industrial and Pedagogical College named after V. M. Chlenov Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, Russian Federation
2 3 North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, Russian Federation
4 Arctic State Agrotechnological University
Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk, Russian Federation
1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected], 4 [email protected]
Abstract. The development of equipment and technology has made its contribution to the social and everyday life of modern rural residents. There are fewer settlements that collect firewood and heat their homes with stoves. Villagers' homes are connected to main heating networks that produce heat from coal, gas, condensate or electric sources. However, a person becomes more dependent on such benefits, there is a danger of freezing in the premises during the cold season. An emergency shutdown of the heat and electricity supply can lead to the suspension of production. The solution to the above problems may be the introduction of autonomous technologies in villages, which make it possible to obtain an alternative source of energy from available raw materials in the form of industrial waste. There are various ways to produce alternative fuels - wind and solar energy, biogas and pyrolysis technologies and others. In each individual case, it is necessary to identify the most suitable of the above types, justify it technologically and economically, select a chain of reliable equipment, theoretically and experimentally confirm the proposal put forward, and only after all, implement it into production. Considering that currently a considerable amount of waste of various origins has been generated and stored in rural settlements and due to the lack of technologies for processing and disposal of this waste in most villages, preference should be given to technologies that convert waste into alternative fuel without harming the environment. The article provides a justification for the introduction of pyrolysis technology, considers the possibility of using an autonomous pyroelectric station for the population of the Nyurbinsky district of the Republic of Sakha (Yakutia).
Keywords: pyrolysis, pyrolysis gas, pyrolysis unit, recycling raw materials, autonomous py-roelectric plant, pyrolysis technology
For citation: Sivtseva Zh. G., Druzyanova V. P., Kuleshova Yu. S., Kondakova N. I. Pyrolysis technology as a basis for creating an autonomous pyroelectric power plant. Dal'nevo-stochnyj agrarnyj vestnik. 2024;18;2:136-143. (in Russ.). https://doi.org/10.22450/1999-6837-2024-18-2-136-143.
Введение. По данным региональных информационных агентств, угрозы замерзания помещений и приостановки производства из-за аварийных ситуаций ежегодно возникают в Нюрбинском районе Республики Саха (Якутия). В этой связи рассматриваются различные технологии по производству альтернативных видов энергии [1-3]. Пиролизная технология по утилизации твердого отхода, разработанная В. А. Глушковым, является наиболее подходящей для создания автономной пироэлектрической линии [2-4].
Переработка твердых масс отходов позволит не только очистить окружающую среду, но и даст возможность жителям села сохранить свою продукцию - молоко, преобразовывая пирогаз в электрическую энергию. Соответственно, модульная автономная электростанция позволит не только решить проблему за-
мерзания помещений, но и исключит потери, связанные с простоями сельскохозяйственных предприятий [5-9].
В настоящее время разработаны ряд математических моделей, описывающих процесс пиролиза (рис. 1) [5, 10].
Цель исследований - обосновать внедрение пиролизной технологии и рассмотреть вопрос возможности применения автономной пироэлектрической станции для населения Нюрбинского района Республики Саха (Якутия).
Материалы и методы исследований. Поскольку мы преследуем цель преобразования энергии, заключенной в пирогазе, в электрическую энергию, нами разработана энергетическая модель пиро-лизной установки, подробно описанная в работе [4]. Для раскрытия предложенной энергетической модели составлена тепло-
Валеев И. А.
dT KAtFKM
PcpV:BCMcp
s.
Долганов И.М., Бунаев А. А., Долганова И.О., Чнркпна H.A.
= КвС,2 - схр(0.023 • Сi2 - 1) С°* • (D - 2 • «Ги
S.
au1 + usxu1 + us) + u1u5) UtTw+UsTa
Т =
1 wo
ut + u5
Q(m) = 0,16 ■ (
Спиридонова A.B. nr2h p Wf
100%
+ m0)
Собкалов А.В., Пименова MA., Ивахнюк Г.К. (Uj + U5)(UiTg + U5TS) + U^sTg
у
Глушков В.A.
Q(m) = 605, 7 ■ m
Позволяет рассчитать количество сухого остатка, объем летучих веществ и период течения всего процесса при получении угля, учитывает время охлаждения готового продукта в зависимости от давления в аппарате.
Математическая модель описывает процесс пиролиза углеводородного сырья.
Эта модель позволяет количественно прогнозировать влияние переменных технологических параметров на режимы работы а конструкцию печи для получения готовой углеро-досодержащей продукции.
Математическая модель ппролнзной установки для установившегося режима в виде регрессионной зависимости количества энергии, требуемого для процесса, от массы загружаемого растительного сырья (биомассы).
Зависимость, описывающая процесс пиролиза позволяющая рассчитывать требуемый расход энергии на перерабатываемую массу сырья с учетом ее объема н влажности.
s-
Рисунок 1 - Известные модели, описывающие процесс пиролиза Figure 1 - Known models describing the pyrolysis process
техническая модель, учитывающая тепловые потоки, проходящие через пиролиз-ную установку [4].
С учетом данных моделей, нами получена математическая зависимость, позволяющая определять количество производимой электрической энергии от объема пирогаза с учетом параметров окружающей среды [4]:
где Ж - количество вырабатываемой
эл.эн Г
энергии, кВт-ч;
УП - объем пирогаза, м3; с - удельная теплоемкость пирогаза, кДж/К •м ,
Т г - рабочая температура пиролиза-
Т - температура окружающей сре-
ции,
ды, К.
окр
Согласно формулы (1), ожидаемый объем электроэнергии из одного кубического метра опилок будет находиться в пределах от 0,033 до 0,1 кВт-ч. Следует отметить, что далее, с учетом результатов практических исследований, модель потребует коррекции в виде введения уточняющего коэффициента.
На первом этапе исследований проведены работы по выявлению и устранению неисправностей установки ГВА-1. Проведена модернизация пиролизной установки по направлениям, обозначенным в таблице 1.
На рисунке 2 показана пиролизная установка до и после модернизации.
В качестве сырья нами выбраны опилки, которых образуется достаточное количество в сельских поселениях Нюр-бы. Согласно данным за 2022 г., в районе имеется 60 действующих пилорам и в год образуется более 7 тонн опилок и щепы.
Таблица 1 - Неисправности и пути модернизации пиролизной установки ГВА-1 Table 1 - Malfunctions and ways to modernize the pyrolysis plant GVA-1
Неисправность Модернизация
Нестабильность работы: конденсат газа (вода) попадает обратно в термореактор, что приводит к остановке процесса Стабильность процесса: установлен отстойник для удаления конденсата газа (воды) между термореактором и гидрозатвором
Проблемы с герметизацией: каждый раз необходимо перед загрузкой сырья очищать верхний обод термореактора от накопившегося и засохшего герметика; затем герметизировать крышку и ждать полного высыхания (24 ч и более); ненадежное крепление крышки термореактора; при нагреве крышки резьбы обычных болтов размягчились, произошел срыв крышки Герметизация: герметик заменен на асбестовую (ленту) веревку; обычные резьбовые болты заменены на более надежные каленые болты
Электронные приборы показателей: отсутствуют независимые приборы для снятия текущих показателей Автономность показателей: идет процесс установки механических манометров и термометров
Небезопасность: отсутствие клапана аварийного сброса излишнего давления от гидрозатвора и термореактора при длительном процессе пиролизации отхода; отсутствие автоматического выключателя электропитания ТЭН Безопасность: установлен взрывной клапан в гидрозатворе; установлен клапан аварийного сброса давления газа; установлен автоматический выключатель электропитания, дифференциальный автомат
Рисунок 2 - Пиролизная установка ГВА-1 до модернизации (слева) и после модернизации (справа)
Figure 2 - Pyrolysis unit GVA-1 before modernization (left) and after modernization (right)
В качестве сырья были выбраны три вида древесных отходов: древесная щепа, опилки и опилки мелкие (пылевидные).
При пиролизации отходы должны иметь влажность, составляющую от 2 до 50 % [3]. В таблице 2 показаны параметры древесных отходов.
Нами собрана автономная пироэлектрическая станция, включающая следующие основные узлы: термореактор, гидрозатвор, газгольдер-компрессор, генератор гибридный газобензиновый модели СПЕЦ-HG-7000, прожектор светодиодный СДО-8.
Проведен анализ полученных объемов пирогаза (табл. 3).
Для применения пирогаза в качестве моторного топлива содержание метана в нем должно быть более 80 % [9, 10]. Как видно из таблицы 3, максимальное содержание оксида углерода имеет пирогаз от мелких опилок (0,2-0,9 мм) - 0,44 %. Также при утилизации пылевидных опилок обнаружено образование смолы, которая забивает патрубки установки. Поэтому предлагаем в качестве сырья использовать щепу (5-20 мм) и опилки (1-5 мм).
Результаты исследований и их обсуждение. Управляющими факторами процесса пиролизации являются влажность сырья и размеры его фракций.
Определены значения основных факторов, влияющих на эффективность процесса когенерационной технологии:
1) влажность твердых отходов -4,5-4,6 %;
2) размеры фракций сырья - 1-5 мм;
3) температура окружающей среды - 20-21оС;
4) температура пиролиза - 300 оС;
5) содержание метана в пирогазе -от 90 %;
6) диаметр жиклера - 3,5 см.
На основании результатов исследований, определен корректирующий коэффициент, равный 0,24. С учетом этого необходимо уточнить математическую модель процесса пиролиза с применением установки ГВА-1. Для этого при расчете количества вырабатываемой энергии по формуле (1) полученный результат необходимо умножить на 0,24.
После уточнения математической модели процесса пиролизации нами построен график сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований, показанный на рисунке 3.
Анализ полученного графика позволяет сделать вывод, что теоретические и практические результаты находятся в доверительных интервалах.
Таблица 2 - Параметры древесных отходов Table 2 - Wood waste parameters
Вид древесного отхода Масса, г Температура сушки, оС Влажность, %
с тарой влажная влажная тары с тарой сухая сухая
Опилки, 1-5 мм 282,11357,39 62,3766,35 214,76296,02 281,13354,64 57,6263,37 100 4,5-4,7
Опилки мелкие, 0,2-0,9 мм 282,04321,88 52,2098,26 224,62227,84 94,65267,96 39,09318,27 100 2,7-3,7
Щепа, 5-20 мм 358,27597,14 142,45252,82 214,82343,32 116,04163,12 331,86507,44 100 21,5-53,9
Таблица 3 - Результаты анализа пирогаза из различных видов отходов Table 3 - Results of analysis of pyrolysis gas from different types of waste
В процентах (in percent)
Древесный отход, размер фракции СО2 CH4 О2 Прочие газы
Щепа, 5-20 мм 0,28 90,36 0,00 0,00
Опилки, 1-5 мм 0,03 90,70 0,00 0,00
Опилки мелкие, 0,2-0,9 мм 0,44 90,20 0,00 0,00
! о
s s
X
3 А
1 2 3
Время работы пироэлектрической станции, ч —Теоретические результаты Практические результаты
Рисунок 3 - Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований
Figure 3 - Comparing the results of theoretical and experimental studies
Данные экспериментальных исследований были обработаны с помощью программы Statistica, в результате чего построена поверхность отклика, описывающая выход электрической энергии (рис. 6).
Эффективность пиролизной технологии рассчитана на примере Нюрбинско-го улуса. По плану Министерства сельского хозяйства Якутии, в год производство и
сдача молока составляет 420 т. Зная указанное значение, можно определить среднедневной объем производства молока, с учетом которого при аварии электролинии произойдет утрата качества и порча молока стоимостью более 525 тыс. руб.
С использованием накопленного пи-ролизного газа, это молоко можно сохранить в холодильнике или переработать в
y = -0J2x.2 +8,52x. - 0,48
s i 2
по оси Ox} отложен показатель размера фракций, мм; по оси O^2 - показатель влажности, %; по оси Oy - выход электрической энергии, кВт-ч
OX} - the fraction size indicator, mm; O^2 ~ the humidity indicator, %; Oy - the output of electric energy, kWh Рисунок 4 - Поверхность отклика, описывающая выход электрической энергии Figure 4 - Response surface describing electrical energy output
какой-нибудь иной молочный продукт. При этом на работу пироэлектрической линии с устройством ГВА-1 за 8 часов работы расходуется 24 кВт-ч электроэнергии стоимостью 360 руб.
Заключение. В представленном научном исследовании обоснованы параметры автономной электрической станции: из 1 кг опилок можно производить объем пирогаза, равный 0,09-0,1 м3;
установка ГВА-1 потребляет за час работы 3 кВтч электроэнергии; тогда за один полный цикл работы потребление электроэнергии установкой будет составлять 9,75 кВт ч;
стоимость одного киловатт-часа пиролизной электроэнергии равна 15 руб.;
стоимость автономной электрической станции составляет 446 955 руб.
Список источников
1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. М. : Колос, 1982. 148 с.
2. Баротфи И., Рафаи П. Энергосберегающие технологии и агрегаты на животноводческих фермах. М. : Агропромиздат, 1988. 227 с.
3. Глушков В. А., Тарануха В. П., Печенкин А. Ю., Русяк И. Г. Технологические режимы получения энергоносителей путем переработки биомассы. Ижевск : Ижевский государственный технический университет, 2011. 112 с. EDN XUZFRT.
4. Друзьянова В. П., Сивцева Ж. Г. Создание пироэлектрической линии для электроснабжения аграрного сектора на примере Нюрбинского улуса Республики Саха (Якутия) // Агропромышленный комплекс: проблемы и перспективы развития : материалы всерос. на-уч.-практ. конф. Благовещенск : Дальневосточный государственный аграрный университет, 2023. С. 72-79. EDN WPIQRP.
5. Глушков В. А., Ушаков Н. А. Математическая модель установки пиролиза растительного сырья с возвратом пиролизных смол. Ижевск : Ижевский государственный технический университет, 2006. 19 с. EDN PKCTPD.
6. Аникин Е. В. Пиролизная установка по переработке резинотехнических отходов с минимальным вредом окружающей среде // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 110. С. 12731282. EDN UHSETV.
7. Савватеева И. А., Друзьянова В. П. Электроэнергия из биогаза // Актуальные вопросы аграрной науки. 2020. № 34. С. 27-37. EDN WWUGEE.
8. Спиридонова А. В., Друзьянова В. П. Пиролизная технология в животноводстве // Дальневосточный аграрный вестник. 2021. № 2 (58). С. 152-159. https://doi.org/10.24412/1999-6837-2021-2-152-159.
References
1. Baader V., Done E., Brandenderfer M. Biogas: theory and practice, Moscow, Kolos, 1982, 148 p. (in Russ.).
2. Barotfi I., Rafai P. Energy-saving technologies and units on livestock farms, Moscow, Agropromizdat, 1988, 227 p. (in Russ.).
3. Glushkov V. A., Taranukha V. P., Pechenkin A. Yu., Rusyak I. G. Technological modes for obtaining energy resources through processing biomass, Izhevsk, Izhevskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2011, 112 p. EDN XUZFRT (in Russ.).
4. Druzyanova V. P., Sivtseva Zh. G. Creation of a pyroelectric line for the power supply of the agricultural sector on the example of the Nyurbinsky ulus of the Republic of Sakha (Yakutia). Proceedings from Agro-industrial complex: problems and development prospects: Vserossiiskaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya. (Pp. 72-79), Blagoveshchensk, Dal'nevostochnyy gosudarstvennyy agrarnyy universitet, 2023. EDN WPIQRP (in Russ.).
5. Glushkov V. A., Ushakov N. A. Mathematical model of plant raw material pyrolysis installation with return of pyrolysis resins, Izhevsk, Izhevskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2006, 19 p. EDN PKCTPD (in Russ.).
6. Anikin E. V. Pyrolysis plant for processing rubber waste with minimal harm to the environment. Politematicheskiy setevoy elektronnyy nauchnyy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2015;110:1273-1282. EDN UHSETV (in Russ.).
7. Savvateeva I. A., Druzyanova V. P. Electricity from biogas. Aktual'nye voprosy agrarnoy nauki, 2020;34:27-37. EDN WWUGEE (in Russ.).
8. Spiridonova A. V., Druzyanova V. P. Pyrolysis technology in animal husbandry. Dal'nevostochnyy agrarnyy vestnik, 2021;2(58):152-159. https://doi.org/10.24412/1999-6837-2021-2-152-159 (in Russ.).
© Сивцева Ж. Г., Друзьянова В. П., Кулешова Ю. С., Кондакова Н. И., 2024
Статья поступила в редакцию 19.04.2024; одобрена после рецензирования 01.06.2024; принята к публикации 10.06.2024.
The article was submitted 19.04.2024; approved after reviewing 01.06.2024; accepted for publication 10.06.2024.
Информация об авторах
Сивцева Жанна Григорьевна, преподаватель, Якутский индустриально-педагогический колледж имени М. В. Членова, [email protected]; Друзьянова Варвара Петровна, доктор технических наук, профессор, Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова, [email protected]; Кулешова Юлия Сергеевна, студент, Северо-Восточный федеральный университет имениМ. К. Аммосова, cyanmillia@,gmail.com;
Кондакова Надежда Ивановна, старший преподаватель, Арктический государственный агротехнологическийуниверситет, [email protected]
Information about the authors
Zhanna G. Sivtseva, Lecturer, Yakutsk Industrial and Pedagogical College named after V. M. Chlenov, [email protected];
Varvara P. Druzyanova, Doctor of Technical Sciences, Professor, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov, [email protected]; Yulia S. Kuleshova, Undergraduate Student, North-Eastern Federal University named after M. K. Ammosov, cyanmillia@,gmail.com;
Nadezhda I. Kondakova, Senior Lecturer, Arctic State Agrotechnological University, [email protected]
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
