Зольність та теплота згоряння залишків сільськогосподарських культур

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

Залишки с.-г. культур	Зольність сухої маси, %	Нижча теплота згоряння Qн^р сухої маси, МДж/кг	Нижча теплота згоряння Qн^р при вологості W^Р =20%, МДж/кг	Розрахункова формула для Qн^р, 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·С^Р+1030·Н^Р – 109·(О^Р – S^Р) – 25·W^Р
Лузга соняшника	5,0	19,3	14,6	339·С^Р+1030·Н^Р – 109·(О^Р – S^Р) – 25·W^Р
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·С^Р+1030·Н^Р – 109·(О^Р – S^Р) – 25·W^Р
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

Дата добавления: 2015-06-25