Вогнева утилізація відходів виробництва біодизеля в складі композиційних палив

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного

УДК 665.71:662.11

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вогнева утилізація відходів виробництва біодизеля в складі композиційних палив

Спеціальність: 05. 14. 06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

Камел Юссеф

Харків 2010

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Актуальною проблемою є більш глибоке вивчення робочих процесів і їхніх елементарних стадій, а саме механізмів диспергування, займання і горіння крапель композиційного котельного палива (ККП), особливостей, пов'язаних з багатокомпонентним складом палива тощо.

У дисертаційній роботі розроблено наукові основи і рекомендації з практичного застосування композиційних палив (КП) у камерах згоряння (КЗ) теплоенергетичних установок з урахуванням раніше сформульованого й обґрунтованого в ІПМаш НАН України активаційного методу підготовки та спалювання КП.

Робота зі створення сучасних експериментальних установок, методів оцінки впливу речовин-активаторів в індивідуальних краплях різних палив, які дозволили виявити загальні закономірності горіння, вивчити теплофізичні властивості ККП і порівняти їх із властивостями традиційних палив, здійснити контроль якості палива, досліджувати стадії горіння, зниження нагароутворення палива, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана із програмою Міністерства освіти і науки України з напряму "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології" відповідно до тематичного плану НДДКР Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ"; цільовою комплексною програмою наукових досліджень НАН України «Фундаментальні проблеми водневої енергетики» за темою «Створення нових гідрокавітаційних технологій одержання водню для здійснення процесів гідрогенізації природних вуглеводнів з метою виробництва дешевих моторних і котельних палив» (ДР № 0107U008049) та договором № ЦТФ-35/2007 з фірмою «ФАВОРИТ» «Дослідження комбінованих видів палива, технологій їх виготовлення та спалювання».

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є розробка науково обґрунтованих рекомендацій з організації та удосконалення технології вогневої утилізації відходів виробництва біодизельного палива (G-фаза) в теплоенергетичних установках із застосуванням рідких і газоподібних речовин-активаторів (G-КП) на основі фізичного та математичного моделювання робочого процесу, термогравіметрії і термометрії зразків G-КП з здешевленням одиниці генерованої теплової енергії.

Для досягнення поставленої мети було вирішено такі задачі: проведено аналіз ресурсів енергоносіїв біологічного походження, технологій їхньої переробки й обґрунтовано доцільність використання відходів виробництва біодизельного палива - G-фази як основи для створення альтернативного ККП в Україні; вивчено теплофізичні характеристики G-фази й G-КП і проведено експериментальні та теоретичні дослідження елементарних стадій передполуменевих процесів із краплею G-КП з урахуванням піноутворення; вивчено особливості процесів подачі й розпилення G-КП у модельну камеру згоряння (КЗ) з використанням вихрової форсунки-змішувача; визначено діапазони найбільш доцільних співвідношень основних складових компонентів G-КП та сформульовано рекомендації по конструкції КЗ і переважного використання речовин-активаторів з вибраного ряду; удосконалено фізичну та математичну моделі еволюції краплі G-КП у високотемпературному окиснювальному середовищі з урахуванням ефекту піноутворення й оцінено вплив речовин-активаторів. У рамках рівноважної моделі процесу горіння G-КП оцінено тенденції впливу речовин-активаторів на емісію шкідливих речовин у продуктах згоряння (ПЗ); на модельній КЗ проведено вогневі випробування рекомендованих складів G-КП із речовинами-активаторами; оцінено енергетичну доцільність їхнього використання в теплоенергетичних установках; сформульовано практичні рекомендації для створення теплоенергетичних установок по спалюванню G-КП, що заміщають копалини вуглеводневі пальні.

Об'єкт дослідження - процес горіння альтернативного рідкого ККП на основі гліцеринових відходів виробництва біодизельного палива G-фази з домішками рідких і газоподібних речовин-активаторів (G-КП) в модельній КЗ.

Предмет дослідження - особливості елементарних стадій передполуменевих процесів і процесів горіння індивідуальних крапель, зразків G-КП в модельній КЗ.

Методи дослідження: розрахунково-теоретичний, який базується на використанні класичних законів термодинаміки і тепломасопереносу; загальноприйняті експериментальні методи дослідження елементарних про- цесів поводження краплі G-КП (термогравіметрія, термометрія, мікрофотореєстрація), а також безпосереднє спалювання G-КП у модельній КЗ.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше виявлено і досліджено здатність утворення піноподібних структур для рідкого альтернативного G-КП та показано можливість вогневої утилізації відходів виробництва біодизельного палива з різними речовинами-активаторами, визначено мінімальну кількість домішок рідких і газоподібних речовин-активаторів з вибраного ряду (пропан - 30 %, метан - 21, 38 %, водень - 10,1 %, біогаз - 35,9 %, пічне паливо (ПП) - 37,3 %).

2. Поповнено базу даних новими відомостями про теплофізичні харак- теристики: теплоту згоряння G-КП, стадійність горіння спінених крапель

G-КП.

3. Встановлено нові закономірності елементарних стадій передполуменевих процесів для спінених крапель G-КП та показано зменшення часу горіння G-КП різного складу в ~ 2 рази в порівнянні з традиційними котельними паливами.

Практичне значення отриманих результатів:

- установлені уявлення про механізм процесу горіння, про елементарні стадії, що відбуваються при спалюванні рідкого палива, дозволили раціонально спалювати G-КП;

- сформульовано рекомендації з переважного використання домішок рідких і газоподібних пальних з вибраного ряду при спалюванні в модельній КЗ;

- сформульовано науково обґрунтовані рекомендації з раціонального співвідношення компонентів (базове паливо/домішка) і організації можливих способів подачі активованого спіненого G-КП у КЗ теплогенерувальної установки;

- одержані експериментальні та розрахункові характеристики процесу випарювання краплі альтернативних ККП дали можливість керувати горінням палива шляхом зміни відсоткового вмісту речовин-активаторів у паливі, оптимізувати конструкцію КЗ при використанні як палива G-КП;

- розроблені методи, методики й установки для вивчення передполуменевих процесів рідких палив мають універсальне значення, що дозволило застосувати їх при визначенні показників швидкості випарювання, займистості рідких палив, а також дали можливість підвищити точність, вірогідність вимірів при проведенні досліджень;

- отримані результати досліджень дисертаційної роботи з рідкими паливами впроваджено в навчальний процес для студентів спеціальностей "аерокосмічна теплотехніка" і "нетрадиційні джерела енергії" Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", експериментальні установки й методики проведення експериментів використано в навчальному процесі й у наукових дослідженнях;

- отримані в дисертаційній роботі результати застосовано фірмою ТОВ фірма "ВТі І" Випробна лабораторія «Універсалнафтохім» для розробки пропозицій з сертифікації знову створених складів з урахуванням використання речовин-активаторів і фірмою ТОВ "НВФ ФАВОРИТ" для розробки технології гідрокавітаційної обробки (ГКО) палив з газоподібними речовинами-активаторами.

Особистий внесок здобувача полягає в розробленні програм і проведенні на термогравіметричній, термометричній установках і модельній КЗ експериментальних досліджень передполуменевих процесів і процесів горіння композиційних пальних на основі відходів виробництва біодизельного палива (G-фази) з додаванням газоподібних речовин-активаторів. Визначено залежність характеристик G-КП від різного відсоткового вмісту компонентів і досліджено стабільність виготовлених у лабораторних умовах складів. Особисто здобувачем удосконалена модель, що описує передполуменевий процес для спіненої краплі G- КП, за допомогою кінцево-різницевого методу проведене чисельне моделювання й дані цього моделювання верифіковані експериментально.

Особистий внесок здобувача в роботи, що опубліковані в співавторстві та наведені в авторефераті, є таким: експериментально показано активуючий вплив ПП на інтенсивність передполуменевих процесів ККП на основі гідрофузу, удосконалено технологію приготування ККП із використанням ГКО [1]; на основі експериментальних даних обґрунтовано доцільність використання ГКО для ККП із низькою плинністю безпосередньо у форсунках-змішувачах [2]; термогравіметричним і термометричним методами вивчено деякі особливості передполуменевих процесів G-КП [3]; експериментально показано можливість вогневої утилізації шкідливих складових, що входять до КП [4].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися: на семінарах кафедри аерокосмічної теплотехніки Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського "ХАІ" (2007-2009 рр.); науково-практичній конференції "PROMІTHEAS Workshop on "Joіnt Іmplementatіon and Clean Development Mechanіsm among the BSEC Countrіes", м. Київ (листопад 2007 р.); на XVІІ міжнародній практичній конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" НТУ ХПІ, Харків (травень, 2009 р.); на XІІІ й XІV міжнародних конгресах двигунобудування, п.Рибацьке (14-19 вересня 2008 - 2009 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації висвітлені в 10 науково-технічних роботах, у тому числі 4 статті - у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 6 - у матеріалах конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Суть дисертації викладено на 111 сторінках друкованого тексту і містить 40 рисунків та 12 таблиць, висновки. Список використаних джерел складається з 147 найменувань. Додатків - 3 на 19 сторінках. Загальний обсяг дисертації - 144 сторінки.

Основна частина

Вступ. У вступній частині обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету, задачі, наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи розглянуто загальні відомості про використання альтернативних палив у теплогенерувальних установках. Показано, що для розширення номенклатури палив, використовуваних у теплогенерувальних установках, необхідно застосовувати ККП на основі відходів різних виробництв, зокрема біодизельного виробництва, тенденції росту якого очевидні. Приділено увагу підвищенню теплоти згоряння ККП за рахунок введення в композицію речовин-активаторів з високою теплотою згоряння, основним властивостям ККП, порівняльному аналізу традиційного вуглеводневого палива - мазуту з ККП на основі відходів, технологіям одержання ККП. Розглянуто сировинні й технологічні ресурси для отримання рідких альтернативних КП з органічних відходів.

Показано, що горіння ККП відбувається за кілька стадій залежно від агрегатних станів і теплофізичних характеристик основних вихідних компонентів ККП. Проведений аналіз літератури допоміг узагальнити дані по складу основного відходу виробництва біодизельного палива (9-12 % від виробництва) - G-фази. Установлено, що G-фаза в основному складається із гліцерину (45-60 %), метилового спирту (5-15 %), залишків біодизельного палива (0-10 %), води (10-20 %). Основні характеристики рідких палив і G-фази наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Паливо	Метанол	Гліцерин	Біодизельне паливо	Дизельне паливо	G-фаза
Густина при 20 °C, кг/м3	791,5	1260	880	860	1063
Кінематична в'язкість при 20 °С, 10-6 м2/с	0,7	1174	6-8	6	150
Поверхневий натяг, 10-3 Дж/м2	22	59,4	30	28	55
Теплота згоряння, МДж/кг	19,4	18,0	35,6	42,5	23,84
Температура займання, °C	11	> 180	> 110	> 55	-
Прихована теплота пароутворення, кДж/кг	1191,1	825	-	260	-

утилізація відходи виробництво біодизель

Розглянуто основні стадії горіння палива. Показано, що для визначення основних експлуатаційних показників теплоенергетичних установок необхідно оцінити випаровуваність використовуваного палива з урахуванням вхідних речовин-активаторів, тому що активація палив припускає інтенсифікацію саме передполуменевих стадій процесу. Проведений аналіз показав, що існуючі фізичні і математичні моделі, які описують передполуменеві процеси для краплі палив, не враховують особливостей, пов'язаних з активним піноутворенням, що має місце для G-КП, і потребують уточнення.

За спрощеною методикою проведено аналіз енергетичних і економічних показників КП на основі G-фази та речовин, які пропонується використовувати як активувальні домішки до ККП. Результати аналізу свідчать, що додавання речовин-активаторів до G-КП підвищують енергетичні характеристики палива і можуть істотно підвищити економічну ефективність використання G-КП.

У другому розділі наведено результати експериментів з моделювання елементарних процесів G-КП. У процесі лабораторних експериментів установлено деякі особливості G-КП, пов'язані з піноутворенням. Зразки ККП були придатні як для дослідження у вигляді крапель, так і для спалювання в модельній КЗ, приготовлені у посудинах об'ємом 50 мол, для чого використовувався модельний ГКП із обертами робочих елементів 8000 об/хв. Після обробки зразок досліджувався на стабільність, для чого вимірявся час від моменту приготування зразка до його повного розшарування. За результатами експериментів було встановлено здатність G-фази утворювати піноподібну структуру з різними газами. Наприклад, об'ємна концентрація повітря в G-КП досягає 12 %. Проведений аналіз показав, що час обробки G-КП у модельному ГКП мало впливає на стійкість до розшарування і розшарування відбувається швидко. Однак збільшення домішки ПП як рідкої речовини-активатора збільшує тривалість стабільності емульсії. Результати досліджень G-КП на стійкість до розшарування дозволили обґрунтувати доцільність використання як розпилюючого пристрою форсунки-змішувача, запатентованої ІПМаш НАН України.

Проведено мікроскопічні дослідження зразків G-КП, що пройшли обробку в модельному ГКП і у форсунці-змішувачі. Результати показали, що піноутворення в зразках відбувається в обох випадках, однак обробка в ГКП дозволяє створювати пузирчики більш складної структури.

Проведено термогравіметричні дослідження зі зразками G-КП. Вимірялась маса краплі G-КП за часом при різній температурі. Всі вимірювання проводились з відносною похибкою 0,5 %.

Установлено, що ГКО не суттєво впливає на характер випарювання гліцерину. Однак при випарюванні спіненої G-фази (що пройшла ГКО) спостерігається стадійність процесу, пов'язана з активним випарюванням легких фракцій G-фази усередину пузирчика і збільшенням об'єму краплі, зменшенням часу випарювання G-фази і суттєвим зменшенням температури процесу (на 80 °С).

Серія експериментів з G-КП із додаванням ПП показала, що при збільшенні вмісту ПП в G-КП процес випарювання протікає більш інтенсивно і зменшуються сухі (неспалені) залишки до 15 %.

У процесі випарювання чистої G-фази не спостерігалася яскраво виражена стадійність процесу, як, наприклад, для краплі водомазутної або пиловугільно-мазутної суміші, тому що вода (до 20 %) і гліцерин (до 55 %), які містяться в G-фазі, перебувають у зв'язаному стані у вигляді здатності гліцерину поглинати й розчиняти вологу. Однак метиловий спирт (до 15 %), що міститься в G-фазі, у силу своїх теплофізичних властивостей випарюється з G-фази швидше, ніж вода. Отже, піна, що утвориться в процесі змішування в тороїдальній порожнині форсунки-змішувача або ГКО, подана в індивідуальній краплі G-КТ наявністю газоподібних пузирчиків, які є локальними областями випарювання легких фракцій G-фази.

Ґрунтуючись на рекомендаціях про раціональний склад G-КП із ПП, отриманого з експериментальних даних, за допомогою програмного додатка PLASMA було проведено розрахунки рівноважного складу ПЗ з метою оцінки впливу речовин-активаторів на вміст токсичних компонентів. Додавання речовин-активаторів в G-КП приводить до підвищення вмісту NOx і CO2 ПЗ, але істотно знижують вміст CO. У рамках рівноважної адіабатної моделі видно, що така тенденція слабко залежить від використовуваної речовини-активатора.

Однак у випадку використання водню як речовини-активатора вміст NOx у ПЗ істотно нижче, ніж при використанні інших активаторів, і ріст відсоткового вмісту водню в ККП може приводити до незначного збільшення NOx у ПЗ. Прогнозований вміст СО у ПЗ при цьому зменшується від 20 до 40 % при додаванні водню в ККП від 5 до 15 % у порівнянні з іншими речовинами-активаторами, що відповідає результатам, отриманим в ІПМаш НАН України. Оцінка вмісту діоксиду вуглецю CO2 у ПЗ залежно від додавання водню в ККП показує зміну тенденції кривої, тобто викиди CO2 в атмосферу повинні зменшуватися від 25 до 50 % при додаванні водню в ККП від 5 до 15 %.

Наведено результати досліджень процесу горіння методом термометрії. Зразки G-КП зважувалися на торсійних вагах до початку експерименту та після для визначення кількості сухого неспаленого залишку (золи). Після початкового зважування мікротигель зі зразком палива розміщувався над джерелом вогню. Термопари встановлювалися під зразком, де вимірювалося полум'я пальника (Т1), усередині зразка (Т2), над поверхнею зразка (Т3). Розміщення термопар вибране у такий спосіб, щоб вимірювати температуру полум'я зразка пального. Сигнал з термопари надходив на самописний прилад, що фіксує значення температури в часі. Час експерименту - до = 40 с. Експерименти проводилися зі зразками G-КП різних складів і результати подавалися у вигляді термограм, після чого проводилася апроксимація отриманих експериментальних кривих згладженими кривими 3-4 порядку. Було встановлено, що процес горіння піноподібної G-фази (із вмістом пузирчиків повітря) відрізняється від процесу горіння чистої G-фази збільшенням об'єму краплі на стадії прогріву через активне випарювання усередину пузирчиків легколеткого компонента G-фази - метанолу.

При змішуванні G-фази і ПП процес горіння інтенсифікується за рахунок більшого вмісту вуглеводнів в G-КП, час досягнення максимальної температури процесу горіння Тmax скорочується пропорційно концентрації активатора, що підтверджується зіставленням хронографії процесу горіння із графічними результатами, полум'я стає стійким при додаванні ПП близько 30 % і більше в G-фазу.

Встановлено, що кількість неспалених залишків зменшується при додаванні ПП в G-КП. При термогравіметрії середня кількість сухих залишків склала близько 15 %, що значно менше, ніж для традиційного котельного - мазуту. На основі встановлених закономірностей про стадійність горіння автором було запропоновано для організації стійкого процесу горіння G-фази в КЗ активувати паливо, наприклад здійснити спінення G-фази за допомогою підмішування в G-фазу газоподібних речовин-активаторів, що й було реалізовано при горінні G-КП у модельній КЗ.

На базі проведених досліджень із G-КП і вибраним як речовина-активатор ПП було припущено, що будь-який інший вуглеводневий активатор дозволить скоротити час випарювання, а відповідно, і час вигоряння G-КП. Таке припущення було підтверджено при фізичному і математичному моделюванні в третьому розділі.

Було розглянуто схему еволюції краплі G-КП, що містить пузирчики газу-активатора, при її випарюванні. Вихідну краплю емульсії подано двома середовищами: дисперсійне середовище - G-фаза і дисперсне середовище - газ-активатор. У процесі нагрівання краплі тепло передається через дисперсійне середовище (G-фазу) до дисперсної фази (газу-активатора), внаслідок чого газові пузирчики починають розширюватися, додатково йде випарювання G-фази із зовнішньої поверхні краплі й усередину газового пузирчика.

Було побудовано математичну модель на основі фізичної моделі для початкової стадії прогрівання й росту краплі G-КП при таких припущеннях:

1. У початковий момент часу в краплі втримується тільки газ-активатор. У процесі еволюції крапля G-КП втрачає стійкість. Під "втратою стійкості" мається на увазі час з'єднання двох сусідніх порожнин газової фази, або розрив пузирчиків на поверхні краплі.

2. Вся підведена теплота до краплі на розглянутій стадії процесу йде тільки на випарювання самої леткої речовини рідкої фази - метанолу.

3. Розподіл пузирчиків у краплі монодисперсний, у початковий момент часу всі пузирчики мають однаковий розмір rb(0).

4. Температура зовнішньої поверхні краплі дорівнює температурі всієї краплі.

.

5. Пари метанолу розглядаються як калорично досконалий ідеальний газ із незмінною молярною вагою. Газ-активатор і пари метанолу, що знаходяться у пузирчику, поводяться як суміш двох ідеальних газів.

6. Величиною лапласівського тиску Pу для краплі й пузирчиків нехтуємо, оскільки при 20°С поверхневий натяг для G-фази становить уgf = 0,055 Н/м (для гліцерину уg = 0,066 Н/м) і величина лапласівського тиску в пузирчику

Па

(для гліцерину Pу = 1086 Па).

Процеси тепло- і масообміну для індивідуальної краплі багатокомпонентного палива описуються таким рівнянням, що враховує теплообмін конвекцією Qб і випромінюванням Qб

(1)

Оскільки за умовами експерименту крапля перебувала в печі й, беручи до уваги нерівномірність температури стінок печі, що гріють, і відповідну неоднорідність поля температур окиснювального середовища навколо краплі, то розрахунковим шляхом складно визначити тепловий потік q з достатньою точністю. Це дозволяє перейти до експериментально-інтегральної характеристики.

Крапля сферичної форми радіусом rd нагрівається за рахунок підведеної через поверхню краплі Sd теплоти. Відповідно до припущення 2 енергія нагрівання краплі йде на її випарювання. Таким чином, рівняння теплового балансу має вигляд

, (2)

де - потік маси, що випарилася, ділиться на зовнішній потік і потік маси усередину газових пузирчиків

, (3)

L - теплота пароутворення G-фази.

Вважаємо, що швидкість випарювання із зовнішньої поверхні краплі пропорційна швидкості випарювання із внутрішньої поверхні пузирчиків усередині краплі

, (4)

де n - кількість пузирчиків газу-активатора;

- безрозмірний коефіцієнт швидкості випарювання усередину пузирчика (визначається експериментально);

- площа поверхні парогазового пузирчика.

З виразів (2), (3), (4) виразимо комплекс

. (5)

Об'єм всієї краплі складається з об'єму рідкої фракції Vl і сумарного об'єму всіх пузирчиків

. (6)

Зміна об'єму пузирчика описується рівнянням Клайперона-Менделєєва з урахуванням парів G-фази, що випарюються усередину пузирчика, відповідно до припущень 5, 6. Тоді для 1 пузирчика маємо

(7)

де - маса й молекулярна маса газу-активатора в пузирчику;

- маса й молекулярна маса парів G- фази в пузирчику;

- тиск навколишнього середовища;

- сумарний об'єм пузирчиків.

Маса парів G-фази в пузирчику з урахуванням виразу (4) має вигляд

(8)

Підставляючи залежності (7), (8) в (6), отримаємо вираз для залежності радіуса краплі від часу

(9)

Перетворимо цей вираз перед диференціюванням.

Нехай

;

; ,

тоді вираз (9) матиме вигляд

. (10)

Після диференціювання й перетворення отримали

. (11)

Наведене вище диференціальне рівняння розв'язувалося за допомогою методу Рунге-Кута з такими умовами однозначності:

У початковий момент часу для краплі G-фази з пузирчиками газу метану радіус краплі rd(0) = 0,0025 м, маса краплі кг, температура краплі Td(0) = 293 К, об'ємний вміст газу-активатора (пузирчиків) у паливі Сv = 0,12, радіус пузирчиків газу-активатора rb=1,197·10-4 м.

Припускаємо, що втрата стійкості краплі наступає в момент часу, коли

rd (ф) = rd max, тоді .

Було розроблено програму для чисельного моделювання процесу поведінки краплі до втрати стійкості. Отримані результати розрахунку відносного радіуса краплі від температури подано графічно.

Встановлено, що підтверджується ефект активного спінення, тобто збільшення діаметра краплі на початковій стадії нагрівання краплі, що у свою чергу збільшує швидкість випарювання краплі за рахунок збільшення зовнішньої поверхні теплообміну. Провідну роль відіграє розширення газової фази, а не випарювання усередину пузирчика легких фракцій з G-фази.

Має місце задовільний збіг розрахункової кривої для краплі G-фази з пузирчиками газу-активатора (метану) з експериментальними точками. Аналогічно, має місце задовільний збіг розрахункової кривої з експериментом для інших газів-активаторів.

З точки зору найбільш інтенсивного піноутворення досліджені гази- активатори можуть бути розміщені в такому ряду: водень, метан, пропан, біогаз. Очевидно, це пов'язано з величиною газової постійної Rм/м.

Розрахунок втрачає сенс у районі 363 К, оскільки при подальшому рості температури крапля втрачає суцільність, із краплі починають вириватися пари G-фази й газу-активатора, що не враховує математична модель, розроблена для початкової стадії.

Установлено, що вплив складу речовини-активатора на час прояву цього ефекту не істотний, однак найменший час досягнення максимуму діаметра краплі відбувається при використанні водню як речовини-активатора. Переносячи отримані результати на процес у КЗ, слід очікувати, що ефект спінення краплі зменшить загальний час випарювання краплі через ріст поверхні випарювання.

У четвертому розділі дисертації подано результати дослідження процесів горіння G-КП різних складів у модельній КЗ у лабораторних умовах. Було розроблено установку для спалювання G-КП із додаванням газоподібних речовин-активаторів.

На разі використання рідкої речовини-активатора замість газового балона установлювався вторинний паливний бак і підключався до системи аналогічно паливному баку для G-фази.

G-фаза, що використана як основа ККП, містилася в паливний бак, у якому є система контролю витрати палива. Первинний розігрів КЗ здійснювався на ПП, що знаходилося в паливному баці, або за допомогою газоподібних речовин-активаторів, що знаходилися в балоні. Паливо з бака подавалося в КЗ за допомогою витискувальної системи подачі. Повітря з балона через редуктор і манометр надходило у паливні баки, витісняючи паливо у форсунку-змішувач. Після попереднього розігріву КЗ відкривалася подача G-фази. Усі компоненти G-КП надходили у форсунку-змішувач, у тороїдальній порожнині якої вони змішувалися потоком повітря, що надходило із балона.

На виході з форсунки-змішувача утворювався факел розпилу, що складався з дрібнодисперсних крапель G-КП. При встановленні стабільного режиму горіння знімалися показання тисків на манометрах і температур в 3-х областях у КЗ за допомогою термопар типу ХА (хромель-алюмель): температура стінки КЗ, температура в зоні горіння й температура ПЗ.

На кінцевому етапі роботи було проведено оцінку вироблюваної енергії при згорянні чистих палив, які використовуються в експерименті як речовини-активатори.

На основі відомих даних (на травень 2009 р.) по вартості було проведено оцінку ефективності використання G-КП з певними експериментально рекомендованими мінімальними домішками речовин-активаторів. Дані наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Вид G-КП	Вартість 1 кВтгод енергії при згорянні G-КП грн	Економічний ефект використання G-КП у порівнянні з мазутом, %	Економічний ефект використання G-КП у порівнянні з використанням чистих речовин-активаторів, %
70% (G-фаза) +30% (пропан)	0,13	46,8	45,8
89,9% (G-фаза) +10,1% (водень)	0,32	-87,2	-33,3
64,1% (G-фаза) +35,9% (біогаз)	0,105	34,4	56,25
78,61%(G-фаза) +21,38 % (метан)	0,12	50,0	47,8
62,7%(G-фаза) +37,3 % (ПП)	0,14	41,6	41,6

Висновки

1. Показано можливість спалювання в модельній КЗ КП на основі відходів виробництва біодизельного палива - G-фази із застосуванням речовин-активаторів.

2. На базі аналізу ресурсів досліджених енергоносіїв в Україні обґрунтовано енергетичну доцільність використання як основи ККП відходів виробництва біодизельного палива - G-фази.

3. Поповнено базу даних з теплофізичних характеристик G-фази й G-КП, а також уперше встановлено нові закономірності елементарних стадій передполуменевих процесів для крапель G-КП.

4. Установлено вплив речовин-активаторів на процеси подачі, розпилювання і спалювання G-КП у модельній КЗ.

5. Визначено енергетичні показники G-КП із різними речовинами-активаторами (метан, водень, пропан, біогаз і ПП). Додавання водню в G-КП продемонстрували найкращі показники з погляду якості організації робочого процесу в КЗ. Однак з економічної точки зору використання водню можна рекомендувати до застосування як домішку-активатор в перспективі через його високу вартість.

6. Удосконалена модель еволюції краплі підтвердила вплив ефекту спінення на робочий процес і дала можливість сформулювати науково обґрунтовані рекомендації для організації робочого процесу в КЗ, а саме необхідність установки уловлювача великих крапель у зоні горіння.

7. На основі комплексних розрахунково-теоретичних досліджень, а також вогневих випробувань визначено діапазони найбільш доцільних співвідношень G-КП і речовин-активаторів, що забезпечують стійкий процес спалювання з мінімальним "підсвічуванням" з погляду енергетичної користі.

8. Експериментально показано на модельній КЗ, що досліджені склади дають позитивний енергетичний ефект близько 50 %.

9. Сформульовані рекомендації з реалізації процесу спалювання відходів виробництва біодизельного палива в модельній КЗ і безпосередньо результати вогневих випробувань є основою для рекомендації використання G-КП у теплоенергогенерувальних установках різної теплової потужності.

10. Результати досліджень по дисертаційній роботі знайшли застосування в ТОВ фірмі "ВТ і І" Випробна лабораторія «Універсалнафтохім» і ТОВ "НВФ ФАВОРИТ", а також у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ".

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Усовершенствованная технология сжигания отходов производства биодизеля /А. В. Бастеев, Л. В. Тарасенко, В. В. Форфутдинов, К. Юссеф // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 8/55. -С. 36-39.

2. Повышение экологичности и эффективности работы энергоустановок с одновременным обезвреживанием фенольных стоков /Е.Ю. Андриенко, А. В. Бастеев, Тарасенко Л.В., Юссеф К. // Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. - № 7(64). -С. 104 -108.

3. Особенности теплофизических свойств и предпламенных процессов в комбинированных топливах на основе G-фазы /Л.В. Тарасенко, А.В. Бастеев, М.А. Цыганок, К.Юссеф, Е.Ю. Андриенко // Вестник двигателестроения. - 2009. - № 3. - С. 88 - 92.

4. Метод огневого обесфеноливания сточных вод коксохимических заводов. / Е. Ю. Андриенко, А.В. Бастеев, О.В. Кравченко, Л.В. Тарасенко, П.В. Карножицкий, К. Юссеф //Углехимический журнал - Харьков, 2009. ? № 5-6? С. 72 - 77.

5. Юссеф К. Утилизация сельскохозяйственных отходов - путь к снижению выброса парниковых газов / К. Юссеф, А.В. Бастеев // PROMITHEAS Workshop on «Joint Implementation and Clean Development Mechanism among the BSEC Countries»: материалы междунар. конф., 9 нояб. 2007 г.. - Киев, 2007. - Режим доступа KEPA, Athens, Greece.

6. Юссеф К. Энерго-технологический комплекс / К. Юссеф, А.В. Бастеев // PROMITHEAS Workshop on «Joint Implementation and Clean Development Mechanism among the BSEC Countries»: материалы междунар. конф., 9 нояб. 2007 г.. - Киев, 2007. - Режим доступа KEPA, Athens, Greece.

7. Утилізація G-фази в теплогенеруючих установках / А.В. Бастеев, Л.В. Тарасенко, М.А. Цыганок, К. Юссеф // Інформаційні технології. Наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я: матеріалы XVII міжнар. практ. конф. - Харків: НТУ «ХПІ», 2009 р.

8. Семенов В.Г. Методы определения компонентного состава G-фазы / В.Г. Семенов В.Г., Л.В. Тарасенко, К. Юссеф // Інформаційні технології. Наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я: матеріалы XVII міжнар. практ. конф. - Харків: НТУ «ХПІ», 2009 р.

9. Усовершенствованная технология сжигания отходов производства биодизеля / А. В. Бастеев, Л. В. Тарасенко, В. В. Форфутдинов, К. Юссеф // XIII Междунар. конгресс двигателестроителей: тез. докл., 14-19 сентяб. 2008 г., пос. Рыбачье. - Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2008. - С. 82.

10. Повышение экологичности и эффективности работы энергоустановок с одновременным обезвреживанием фенольных стоков / Е.Ю Андриенко, А.В. Бастеев, Л.В. Тарасенко, В.В. Форфутдинов, К. Юссеф // XIV Междунар. конгресс двигателестроителей: тез. докл., 14-19 сентяб. 2009 г., пос. Рыбачье. - Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - С. 54.

Анотація

Камел Юссеф. Вогнева утилізація відходів виробництва біодизеля в складі композиційних палив. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. - Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2010.

Дисертаційну роботу присвячено експериментальному і теоретичному дослідженню процесів спалювання відходів виробництва біодизеля (гліцеринового залишку - G-фази) у складі композиційних палив на предмет подальшого використання палив у теплоенергетичних установках, що дозволяє з користю утилізувати відходи та зекономити традиційні палива.

У роботі описано процес прогріву краплі палива багатокомпонентного складу. Було досліджено вплив різних речовин-активаторів на передполуменеві процеси в краплі палива, експериментально показано активаційний вплив пічного палива на інтенсивність передполуменевих процесів композиційних палив на основі відходів виробництва біодизельного палива, удосконалено технологію приготування композиційних палив з використанням гідрокавітаційної обробки. На основі експериментальних даних обґрунтовано доцільність використання гідрокавітаційної обробки для композиційних палив з низькою плинністю безпосередньо у форсунках-змішувачах. Експериментально визначено видаткові характеристики форсунки-змішувача. Установлено вплив речовин-активаторів на процеси подачі, розпилу й спалювання G-КП у модельній камері згоряння.

Проведено термогравіметричний і термометричний аналіз досліджуваних комбінованих палив на основі G-фази з додаванням речовин-активаторів.

Запропоновано й обґрунтовано фізичну двовимірну модель, що описує поводження краплі композиційного піноподібного палива на основі G-фази з газоподібними речовинами-активаторами у високотемпературному окисному середовищі. Розроблено математичну модель процесу.

На основі комплексних розрахунково-теоретичних досліджень, а також вогневих випробувань визначено діапазони найбільш доцільних співвідношень G-КП і речовин-активаторів, що забезпечують стійкий процес спалювання з мінімальним "підсвічуванням" з погляду енергетичної корисності. Оцінено ефективність використання G-КП з визначеними експериментально мінімальними домішками речовин-активаторів та рекомендованих до застосування.

Ключові слова: вогнева утилізація, біодизельне паливо, випарювання, займання, горіння, використання речовин-активаторів.

Аннотация

Камел Юссеф. Огневая утилизация отходов производства биодизеля в составе композиционных топлив. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию процессов сжигания отходов производства биодизеля (глицеринового остатка - G-фазы) в составе композиционных топлив на предмет дальнейшего использования топлив в теплоэнергетических установках, что позволяет с пользой утилизировать отходы и создать экономию традиционных топлив.

В работе описан процесс прогрева индивидуальной капли топлива многокомпонентного состава; исследовано влияние различных веществ-активаторов на предпламенные процессы в капле топлива; экспериментально показано активационное влияние печного топлива на интенсивность предпламенных процессов композиционных топлив на основе отходов производства биодизельного топлива и усовершенствована технология приготовления композиционных топлив с использованием гидрокавитационной обработки.

На основе экспериментальных данных обоснована целесообразность использования гидрокавитационной обработки для композиционных топлив с низкой текучестью непосредственно в форсунках-смесителях. Экспериментально определены расходные характеристики форсунки-смесителя. Установлено влияние веществ-активаторов на процессы подачи, распыла и сжигания G-КТ в модельной камере сгорания. Проведен термогравиметрический и термометрический анализ исследуемых комбинированных топлив на основе G-фазы с добавками веществ-активаторов. Предложена и научно обоснована физическая двумерная модель, описывающая поведение капли композиционного пенообразного топлива на основе G-фазы с газообразными веществами-активаторами в высокотемпературной окислительной среде, а также разработана математическая модель процесса испарения капли G-КТ.

Экспериментально и теоретически показана целесообразность применения веществ-активаторов. Представлены результаты исследования процессов горения G-КТ различных составов в модельной КС в лабораторных условиях. На основании комплексных, расчетно-теоретических исследований, а также огневых испытаний определены диапазоны наиболее целесообразных соотношений G-КТ и веществ-активаторов, обеспечивающих устойчивый процесс сжигания с минимальной «подсветкой» с точки зрения энергетической полезности. Проведена оценка эффективности использования G-КТ с определенными экспериментально минимальными добавками веществ-активаторов и рекомендованных к использованию.

Ключевые слова: огневая утилизация, биодизельное топливо, композиционное топливо, испарение, воспламенение, горение, применение веществ-активаторов.

Summary

Kamel Youssef. The firing waste production of biodiesel in the composite propellants Biodiesel in the composite fuels. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.06 - engineering thermal physics and industrial power system. -Institute for Mechanical Engineering Problems A.N. Podgorny National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2010.

The thesis is devoted to an experimental and a theoretical investigation of combustion of waste biodiesel production (glycerol residue - G-phase) in the composite fuels for future use of fuels in thermal power plants that can usefully recycle waste and create cost of traditional fuels.

The paper describes the process of heating fuel droplets multi component of composition. The effect of various substances in the pre-activators fiery processes in a drop of fuel, was shown experimentally activating effect on the intensity of heating oil before the flame processes of composite propellants based on waste biodiesel production, improved technology of preparation of composite propellants using hydro Cavitational processing. On the basis of experimental data proved the feasibility of using hydro Cavitational processing for composite fuels with low turnover directly in the injector-mixers. Experimentally determined characteristics of the consumable injector mixer. found influence of substances-activators on the processes of filing, distribution and burning zeal G-CT in the model chamber of combustion.

Proposed and justified physical two-dimensional model describing the behavior of the composite foam drops of fuel on the basis of G-phase with a gaseous substance-activators in the high-oxidative environment. A mathematical model of the process. Experimentally and theoretically demonstrated the feasibility of activators. The results of the study of combustion processes G-QDs of different compositions in a model of the COP in the laboratory. Based on complex, computational and theoretical studies, as well as fire tests determined the most appropriate ranges of ratios G-CT-activators, and substances that provide a sustained process of combustion with a minimum of "illuminated" in terms of the energy utility. Assessed

the effectiveness of G-CT with certain experimentally recommended minimum additives substances activator.

Key words: biodiesel, glycerol residue (G-phase), composite fuels, evaporation, ignition, combustion, pre-activators, foam drops of fuel, installation.

Размещено на Allbest.ru