ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИОГАЗА, ПОЛУЧЕННОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОЙ БИОМАССЫ

Maqolada «Muborakneftgaz» MChJ huzuridagi yordamchi xo‘jalikda qurilgan biogaz qurilmasidan olinadigan biogazning yonish mahsulotlari issiqlik-fizik xususiyatlari natijalari keltirilgan.

УДК 631.1.004. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИОГАЗА, ПОЛУЧЕННОГО В РЕЗУЛЬТАТЕ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОЙ БИОМАССЫ Б.Э. Хайриддинов1, С.А. Утаев1, С.Ю. Ганиев2, У.Дж. Турдиев1 Каршинский государственный университет, г. Карши. ул. Кучабаг-17,180103 Каршинский государственный технический университет г.Карши, ул. Мустакиллик 225 180100 https://doi.org/10.5281/zenodo.15132944 Аннотация: B статье приведены результаты теплофизических характеристик продуктов сгорания биогаза получаемого от биогазовой установки построенной в подсобном хозяйстве при ООО «Муборакнефтгаз» Ключевые слова: продукты сгораниябтехнологические процессы, степень загрязнения воздуха, теплота сгорания, трёх атомные газы, коэффициент избытка воздуха, динамическая вязкость, коэффициент теплопроводности.

FUNDAMENTALS OF THERMAL PERFORMANCE OF BIOGAS OBTAINED FROM THE PROCESSING OF ORGANIC BIOMASS Abstract: In article are brought results heat physical features of the products of combustion biogas got from biogas of the installation built in subsidiary facilities under OOO “Muborakneftegaz”. Keywords: products of combustion, technological processes, degree of the soiling the air, heat of combustion, three atomic gases, factor of the excess of the air, dynamic viscosity, factor heat-conducting.

ВВЕДЕНИЕ Стратегические направления развития энергетики Республики Узбекистан предусматривают широкое использование нетрадиционных источников энергии, в том числе энергии органической биомассы животных. Расчеты показывают, что при переработке органической биомассы в биологический газ ежегодно можно производить в 4,2 раза больше энергии, чем производится на электростанциях Республики Узбекистан. Тесно c проблемой обращения с отходами связана еще одна, все более обостряющаяся, проблема охраны окружающей среды, которая также требует интенсивной и рациональной переработки органической биомассы. Использование возобновляемых источников энергии в мире становится все более актуальным в связи с тем, что традиционные источники энергии (уголь, нефть, природный газ) ограничены, а их использование для производства тепла и электроэнергии наносит огромный вред окружающей среде. В связи с этим все большее значение приобретает солнечная энергетика, которую можно использовать для производства экологически чистой тепловой и электрической энергии [1,2,3,4]. Солнце – гигантский источник «чистой» энергии, не загрязняющей окружающую среду. Эффективное использование солнечной энергии позволяет значительно сократить потребление природных ресурсов. Климатические и погодные условия юга Узбекистана создают широкие возможности для эффективного использования солнечной энергии в Кашкакдарьинской области [2,3.4,5].

Для достижения максимальной эффективности образования биогаза анаэробная переработка требует определенных температурных условий и технологических процессов, желательно близких к оптимальному процессу [6,7]. Постановка задачи В республике основным энергетическим топливом является природный газ, в частности биогаз, получаемый в результате анаэробного разложения органических веществ. В республике наиболее перспективным является использование анаэробного разложения органических веществ с получением биогаза. Переработка биомассы в анаэробных условиях осуществляется в специальных автоклавах под давлением (рис. 1). Под воздействием метанобразующих бактерий в бескислородной среде при температуре 30...55°С в реакторе происходит ферментация биомассы с образованием горючего газа - биогаза, который используется для технологических и бытовых нужд. Из 1 т навоза влажностью 70°С можно получить около 220 м3 биогаза с теплотой сгорания 28...35 МДж/м3. Остатки бродильной массы в варочных котлах представляют собой легкоусвояемую растениями, лишенную возбудителей болезней и семян сорняков, легкоусвояемую жидкость высококонцентрированного органического удобрения (гумуса) [8,9]. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Основными элементами биогазовых установок являются варочный котел (реактор ферментации) (2) и газгольдер (резервуар для хранения биогаза) (3). Производительность и экономическая эффективность всей установки зависит от конструкции варочного котла. Биогазовые установки не требуют специального дорогостоящего оборудования. Срок окупаемости этих установок составляет 2...4 года.

Pис. 1. Принципиальная схема биогазовой установки индивидуального солнечного отопления ООО «Муборакнефтегаз»: 1 – органические отходы; 2-варочный котел; 3- газгольдер; 4-твердые отходы; 5-котел; 6-двигательный электрогенератор;7-газовая плита; 8-отопительные батареи; 9 и 10 – освещение и электроприборы; 11- обогреваемый варочный котел. Основными факторами, определяющими широкое внедрение в республике технологии анаэробного разложения органических веществ с получением биогаза, являются: 1) высокая технологическая готовность и экономическая рентабельность; технологическая и эксплуатационная простота биогазовой технологии;

2) для биогазовых технологий сырье доступно практически повсеместно (органические промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы, навоз и т.п.); 3) климатические условия обеспечивают максимальный выход коммерческого биогаза; зимний температурный режим позволяет обеспечить мезофильное брожение (при 30...40 °С) при минимальных затратах биогаза на подогрев в варочных котлах, а в летнее время - затраты на отопление исчезают; 4) широкие возможности комплексного использования биогазовых установок совместно с солнечными установками. Биогаз обычно содержит 75...81% метана. Другие компоненты включают этан, пропан, бутан (1,8...6,2%) [8,9]. Более тяжелые углеводороды представляют большую ценность как химическое сырье. Состав газообразного топлива задается в объемных долях и записывается в следующем виде [6,10]. i m i m

 Cn H 2n2  Cn H 2n  H 2  CO  H 2 S  O2  N 2  CO2  100% i 1 i 1 (1) Tеплотехнические расчеты обычно проводятся для сухого состава газообразных топлив. Теплотворная способность сухого газа определяется объемным составом в процентах (%) и известной теплотой сгорания компонентов. Теплотворная способность газообразного топлива, кДж/м3. низший Qниз  358CH 4  638C2 H 6  913C3 H 8  1187C4 H10  1461C5 H12  126,5CO  107,5H 2  234 H 2 S ; (2) высшей Qвыс  398CH 4  698C2 H 6  993C3 H 8  1282C4 H10  1572C5 H12  126,5CO  127,5H 2  254 H 2 S ; (2а) При известном физико-химическом составе природного газа определяют высшую Q+ и низшую Q теплоты сгорания - тепловой эквивалент природного газа Е = Qвх/29300.

Для полученного биогаза: Qниз=37600...39100 кДж/м3 Qвыс = 41800...44700 кДж/м3; Е = 1,28.. 1,34. Как видно из приведенных выше значений, биогаз имеет высокую теплотворную способность.

Pис. 2. Общий вид биогазовой установки индивидуального солнечного отопления ООО «Муборакнефтегаз»:

Это связано с тем, что биогаз имеет повышенное содержание тяжелых углеводородов. При добыче этих углеводородов (в качестве химического сырья) теплотворная способность биогаза снижается на 4...8%. Для теплотехнических расчетов принимают значение низшей теплоты сгорания топлива. Теоретическое количество воздуха (м3/м3), необходимое для полного сгорания газа, определяется по формуле [1,2,7].

Vair  0, 0476  0,5CO  0,5H 2  2CH 4  i m  1,5H 2 S    m  n / 4  Cm H n  O2  . i 1  (3) Для биогаза справедливо 0,4,..11,15 м / м . 3 3

В реальных условиях воздух для горения топлива подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством Vизб. Отношение фактического количества воздуха, подаваемого в устройство сгорания, к теоретически необходимому Vизб называется коэффициентом избытка воздуха:   Vаair / Vair (12) Коэффициент избытка воздуха е зависит от конструктивных особенностей топочного устройства, типа и способа сжигания топлива. Значения е изменяются в пределах α = 1,02...1,5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований представлены на рис. 2.

Т время, час Рис. 3. Зависимость объема получаемого биогаза от продолжительности ферментации навоза мелкого рогатого скота. Продукты полного сгорания топлива при α = 1 содержат: сухие (неконденсирующиеся в топочном устройстве) трехатомные газы R2O (CO2 и SO2); H2O – водяной пар, полученный при сжигании водорода; N2 – топливный азот и азот в теоретически необходимом количестве воздуха. Кроме того, в состав продуктов сгорания топлива входят водяные пары, образующиеся в результате испарения влаги топлива, пар, вносимый в топку вместе с влажным воздухом. Ведь при α ˃ 1 в продуктах сгорания будет присутствовать избыток воздуха (дополнительный кислород и азот). Продукты сгорания биогаза ООО «Муборакнефтегаз» не содержат сернистого газа SO 2, поэтому принято R2O = CO2. Содержание продуктов сгорания представлено: в процентах и долях. RO2  N2  H 2O  100%; X1  X 2  X 3  1; (5) X1  N2 /100; X 2  RO2 /100; X 3  H 2O /100.

по объёмному содержанию Vcp  VRO  VN  VHO (6) VN  0, 79Vair  0,8 N 2 /100; VN  8,5...8,86m / m . 3 3 (7) Объем сухих трехатомных газов  i m  VRO  0, 01 CO2  CO  H 2 S   mCm H n  ; VRO  1, 09...1,137m3 / m3 .  i 1  (8) Теоретический объем водяного пара, образующегося при сгорании водорода и содержащегося в  i m n  VHO  0, 01  H 2 S  H 2  2CH 4   Cm H n  0,124 xг   0, 0161Vair ;  i 1 2  (9) VHO  2, 255...2,349 m / m 3 3

(9а) Объемное содержание продуктов сгорания топлива по формуле (6) Vcp = 11,862 . . . .12,357 m3/m3 (10) Процентное содержание компонентов продуктов сгорания топлива

N2  100  X1  68,92...71,79%; RO2  100  X 2  8,83...9, 2%; (11) H2O = 100 x X3 = 19,01 % Теоретическая температура топлива определяется на основе уравнений энергетического баланса процесса сгорания 1 м3 топлива [3,4] 100  q3  q4  q6 i 3 Qin  Qn   V1Ci Tm  T0  ; 100  q4 i 1 (12) i 3

 V C   V C i i RO RO  VN CN  VHOCHO ; i 1 (12а) где q3 – потери тепла от химического недогрева, %; q4 — потери тепла от механической неполноты сгорания, %; q6 - теплопотери с физической теплотой шлака, %; Qh - теплота, вносимая с горячим воздухом, нагретым внутри топочного устройства, кДж/м3; CRO, CN, CHo - удельная объемная теплоемкость компонентов продуктов сгорания топлива, кЖ/(м3).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ Для газообразного топлива составляющие теплового баланса q3, q4 и q6 принимаются q3 = q4 = q6= 0 Таким образом, температура сгорания газообразного топлива в соответствии с формулой (12) будет определяться выражением:  i 3  Tm   Qin  Qh  /  Vi Ci    T0  i 1  (13) Молекулярная масса M cp  M RO X 2  M N X 1  M HO X 3 . (14)

Значения MRO.. MN, MHo приведены в таблице 1. Mcp = 27,571 кг/ Кмоль (14 a) Массовая теплоемкость продуктов сгорания Ccp  M RO 2CRO / M cp  M N X 1 / CN / M cp  M HO X 3CHO / M cp (15)

Значения CRO,CN, CHo приведены в таблице 1. Плотность сухих продуктов сгорания, кг/м3

cpd  0, 011,96CO2  1,52 H 2 S  1, 25 N 2  1, 43O2  1, 25CO  0, 0899 H 2    0,536m  0, 045n  Cm H n  ; cpd  0,84...0,875kg / m3. (16) Плотность влажных продуктов сгорания Quвл x cpw  c cpw  1000 ;  w  0,835...87 kg / m3 . cp xc 1 804 (17) Плотность продуктов сгорания в зависимости от температуры PM  dcp  0 cp R0Ti (18) Теплопроводность продуктов сгорания - газовой смеси определяется по формуле (11)

cp  l X l  2 X 2  3 X 3 ; cp  0, 0218W /  mK  . (19) Динамическая вязкость продуктов сгорания определяется (11)

1 2 3 cp    ; x x x x x x 1  2 1,2  3 1,4 1  1  2,1  3  2,3 1  1 3,1  2 3,2 x1 x1 x2 x2 x3 x3 (20)

где Ф12...Ф32 – функции вязкости: 1   1 / 2 1/2  M 2 / M1 1/4  1   1 / 2 1/2  M 3 / M1 1/4  Ф1,2    ; Ф1,3    ; 2 2 1  M1 / M 2  2 2 1  M1 / M 3  1/2 1/2

2 2 1   2 / 1 1/2  M1 / M 2 1/4  1   2 / 3 1/2  M 3 / M 2 1/4  Ф2,1    ; Ф2,3    ; 2 2 1  M 2 / M1  2 2 1  M 2 / M 3  1/2 1/2

2 2 1   3 / 1 1/2  M1 / M 2 1/4  1   3 / 1 1/2  M 2 / M 3 1/4  Ф3,1    ; Ф3,2    . 2 2 1  M 3 / M1  2 2 1  M 3 / M 2  1/2 1/2 vcp  cp /  cp ; acp  cp /   cp Ccp  ; Prcp  cpCcp / cp . (20 а) По формулам (20), (20а): μср= 1,466 х 10-5 Pa c; При известных значениях Ccp, λср и μср определяют коэффициенты кинематической вязкости (м2/с) и термодиффузионного аср (м2/с), число Прандтля Prcp vcp  cp / cp ; acp  cp /   cp Ccp  ; Prcp  cpCcp / cp . (21) Зависимость теплопроводности λср и динамической вязкости μср продуктов сгорания от температуры определяют по формуле Сазерленда [11.12]

λ с р = λ с р о A i ; μср = μсрo A i (22)

3/2 273,15  Bi  Toi  где Ai  ; Toi  toi  273,15 Toi  Bi  273,15  (22а) Значение Bi приведены в таблице 1. Таким образом, при известных значениях термофизических параметров продуктов сгорания топлива теплота сгорания в соответствии с формулой (13) равна:

Tt = 1915 . . . .1995 K; or tt = 1642 . . . 1722 0C (23)

Таблица 1. Физические параметры воздуха и продуктов сгорания при t = 0 0 C Угликислый Водяной пар параметры воздух Азот N2 газ СО2 Co2 𝑀𝑖 , кг/кмоль 28,95 28 44 18 100x𝑋𝑖 ,% 71,79 9,2 19,01 𝐶𝑝𝑖 ,КдЖ/(кг К) 0,9956+ 1,024+ 0,8654+ 1,833+ +0,00009299t +0,00008855t +0,0002443t +0,0003111t 𝜆𝑜𝑖 В(м K) 0,02438 0,0243 0,0137 0,0162 𝜇0𝑖 x10 , Пa c 1,7198 1,66 1,37 0,88 𝐵𝑖 122 113 239,7 961 При температурах горения tt > 1650 °С образуются оксиды азота (NO, NO2; NO4; NO5), которые при соединении с влагой и воздухом образуют азотную кислоту [5-8]. Образование NO и NO2 ускоряется при повышении температуры, давления и избытка воздуха. Снижение образования NO, NO2 и их выбросов в атмосферу можно обеспечить, соблюдая условие α =1 и снижая температуру сгорания топлива до < 1650 °С. Лучшим способом снижения температуры горения является разбавление топлива дымовыми газами, т.е. рециркуляционное использование продуктов сгорания топлива. Рециркуляция дымовых газов при сжигании природного газа позволяет снизить выбросы NO и NO2 на 60 % [3-6].

ВЫВОДЫ Результаты теплофизических характеристик продуктов сгорания биогаза, полученные от биогазовой установки, построенной в подсобном хозяйстве ООО «Муборакнефтегаз», используются для исследования тепловых балансов печных устройств и котельных установок, моделирования тепломассообмена тепловых процессов с использованием теплоты продуктов сгорания топлива.

Условные обозначения: ai – коэффициент температуропроводности, м2/с; Ci — теплоемкость, Дж/(кгК); Mi - молекулярная масса, кг/кмоль; Po – барометрическое давление, Па; Ro – универсальная газовая постоянная, Дж/(Ккмоль); t — температура, °С; Ti – абсолютная температура, К; xm- влажность, кг/кг; Xi – объемные доли компонентов охлаждающей смеси; λi – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); μi – коэффициент динамической вязкости, Пас; νi – коэффициент кинематической вязкости, м2/с; ρi – плотность, кг/м3; Pri - критерии подобия Прандтля.