Получение электрической и тепловой энергии из древесных отходов лесного комплекса и других растительных биоресурсов

фйстД

Xе. Наличие последнего в уравнениях двухточечного (42) и одноточечного (46) приближений обусловлено пренебрежением моментов более высокого типа. Условная плотность распределения pvk(x(1) - x(2)) может быть найдена либо экспериментально по фотографиям сечений древесно-цементного композита, либо теоретически по заданным распределениям размеров структурных элементов в различных сечениях.

Выбором тензора Xе во многом определяется близость вычисленного тензора эффективных модулей упругости X* к его истинному значению. В работе [4] показано, что при Xе = 0 приходим к приближению Рейсса, при Xе = го - приближению Фойхта. Полагая Xе равным тензору модулей упругости компонента древесно-цементного композита с максимальной и минимальной жесткостью, приходим соответственно к верхней и нижней границам Хашина - Штрикмана.

Физические соображения и сравнение с результатами, полученными нами другими

методами, показывают, что в случае матричной структуры древесно-цементного композита, когда жесткость заполнителя меньше жесткости матрицы, (цементного камня) целесообразно принять Xе = (X).

Библиографический список

1. Запруднов, В.И. Прочность и деформации древесно-цементных материалов и трехслойных конструкций на их основе / В.И. Запруднов. - М.: МГУЛ, 2004. - 283 с.

2. Лурье, Л.И. Теория упругости / Лурье Л.И. - М.: Наука, 1970. - 940 с.

3. Механика композитных материалов и элементов конструкций: в 3 т. - Т. 1. Механика материалов / под ред. Л. П. Хорошуна. - Киев: Наук. думка, 1982. - 368 с.

4. Савин, Г.Н. К вопросу об упругих постоянных стохастически армированных материалов. В кн. «Механика сплошной среды и родственные проблемы анализа» / Г.Н. Савин, Л.П. Хорошун. - М.: Наука, 1972. - С. 437-444.

5. Хорошун, Л.П. Статистическая механика и эффективные свойства материалов / Л.П. Хорошун, Б.П. Маслов, О.М. Шикула и др. - Киев: Наукова думка, 1993. - 390 с.

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

из древесных отходов лесного комплекса и других растительных биоресурсов

В.В. ЛОЗОВЕЦКИЙ, проф. каф. транспорта леса МГУЛ, д-р техн. наук,

A. А. ШАДРИН, проф. каф. ТОЛП МГУЛ, д-р техн. наук,

B. В. ЛЕБЕДЕВ, доц. каф. инженерных систем РГУТИС, канд. техн. наук,

ИВ. СТАТКЕВИЧ, асп. каф. инженерных систем РГУТИС,

Ю.А. МАРКОВА, асп. каф. ТОЛП МГУЛ

lozovetsky@mail.ru, shadrin@mgul.ac.ru, voval_matr@mail.ru

Растительные отходы сельского хозяйства, отходы участков лесоразработок по заготовке древесины, очистке лесных территорий, а также деревообрабатывающих производств, твердые бытовые отходы (ТБО) являются, с одной стороны, факторами вторичного загрязнения окружающей среды, связанными с продуктами биологического разложения органосодержащих компонентов отходов, а с другой стороны, могут представлять потенциальные источники энергии при условии организации эффективных энерготехнологических процессов их переработки.

В качестве примера можно привести разработку энерготехнологического процесса добычи и утилизации биогаза, генерируемого в толще полигона ТБО и отходов органического происхождения.

Неконтролируемое образование биогаза на полигонах для размещения твердых бытовых отходов (ТБО) представляет серьезную экологическую проблему. ТБО содержат около 30 % органических отходов, которые подвержены анаэробной биоферментации в толще захоронения, где нет достаточного поступления кислорода воздуха. Одна тонна ТБО

172

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012

ДфЭст

Рис. 1. Схема установки для реализации биогаза как возобновляемого источника энергии: 1 - теплообменник; 2 - компрессор; 3 - электродвигатель; 4 - теплообменник; 5 - дроссельный клапан; 6 - камера сгорания; 7- клапан; 8 - теплообменник-регенератор; 9 - турбина; 10 - конденсатор; 11- насос; 12 -генератор

при этом способна произвести до 200-300 м3 биогаза. Биогаз представляет смесь «парниковых» газов: примерно 30-40 % углекислого газа (СО2) и 60-70 % метана (СН4), причем метан превышает по парниковому действию диоксид углерода в несколько раз.

Объемы захоронений ТБО огромны: примерно на одного городского жителя в РФ приходится 600 кг в год. ТБО, накопленные на планете всего за один год, могут быть источником неконтролируемых выделений в атмосферу до нескольких сотен миллиардов кубометров «парниковых» газов. Биогаз из ТБО на полигонах может генерироваться в процессе биохимического анаэробного разложения захороненного органического вещества в течение 30 лет.

Биогаз является часто причиной возгорания на полигонах. Возгорания являются источниками вторичного загрязнения атмосферы дымовыми газами, которые часто содержат высокотоксичные компоненты, являющиеся продуктами горения или термического

разложения компонентов, входящих в состав ТБО. Кроме того, смеси кислорода (О2) воздуха и метана (СН4) биогаза (около 15 % об. в смеси с воздухом) в замкнутых объемах взрывоопасны.

Таким образом, развитие добычи и утилизации полигонного газа является актуальным не только как путь вовлечения альтернативных возобновляемых источников энергии, но и как эффективное мероприятие по защите окружающей природной среды.

В работе [1] представлен проект комплексной утилизации энергии биогаза, который генерируется на специально оборудованном полигоне, рис. 1. Газодобывающее и теплоэнергетическое оборудование полигона спроектировано для утилизации образующегося биогаза объемом 645 м3/час в расчете на получение тепловой мощности в количестве 2,5 МВт в теплоэнергетической электрогенерирующей установке (ТЭС).

Добываемый биогаз имеет температуру 25-40°С и загрязнен увлекаемыми попут-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2012

173

фйстД

но испарениями фильтратов полигона, и поэтому перед утилизацией должен подвергаться осушке путем охлаждения при сопутствующей конденсации выпаров.

Повышение энергетической эффективности предложенной схемы достигается, во-первых, установкой теплообменника-регенератора 8, имеющего термоаккумулирующую загрузку сферических графитовых элементов, и, во-вторых, установкой теплового насоса для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии, которая образуется при охлаждении и осушении биогаза, поступающего на ТЭС с полигона.

Биогаз охлаждается в теплообменнике 1, который является холодильником теплового насоса. При этом происходит конденсация паров и осушение биогаза, после чего он подается по системе трубопроводов в камеру сгорания или паровой котел, и далее в паровую турбину для получения электроэнергии или для аккумулирования теплоты в теплообменник-регенератор 8 и последующего использования в режиме пиковых нагрузок.

Преобразование с помощью тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергии биогаза позволяет снижать потребление ископаемого топлива. Получаемая в тепловом насосе горячая вода в данном случае используется для теплоснабжения расположенного рядом с полигоном тепличного хозяйства.

Были проведены исследования энергетической эффективности применения парокомпрессионных и воздушных теплонасосных циклов. Для получения горячей воды заданной температуры, в том числе и перегретой (выше 100оС), после теплообменника 4 теплового насоса в схему получения горячей воды включен дополнительно газовый подогреватель.

Коэффициент преобразования парокомпрессионного теплового насоса быстро снижается с увеличением разности температур конденсации и испарения рабочего тела, что обычно ограничивает верхнюю температуру цикла, поэтому для получения стабильно высокой температуры применяют подогреватель с прямым сжиганием биогаза. При этом часть биогаза не используется в ТЭС.

Для определения оптимальных значений температуры конденсации, которые будут определять, в свою очередь, температуру теплоносителя на выходе из конденсатора теплового насоса и на входе в перегреватель, применяли функцию коэффициента энергоэффективности для модернизированной схемы [2]

мод _ Ag + бкн _

ТГ мод _ -^Эфф “

= 1+

Ac +6rh

(ех + 1) ' ЛтЭ ' Лэм _ 1

л г i\ Aw — 71+0с

1 (ех 1)' Л тэ' Лэм

,

А Aw

где AQ - разница между количеством тепловой энергии, генерируемой в теплонасосном цикле (QH), и количеством тепловой энергии, которую необходимо затратить в теплоэлектрогенерирующем цикле для получения электрической работы привода компрессора теплового насоса;

LK - полезная механическая работа на приводном вале компрессора;

8х - холодильный коэффициент теплонасосного цикла;

ПТЭ - КПД теплоэлектрогенерирующей установки;

ПЭМ - КПД преобразования энергии в электроприводе компрессора из электрической в механическую;

Qrh - первичная тепловая энергия, затрачиваемая в перегревателе;

TCW, THW - температуры холодной воды и получаемой горячей воды;

9С - минимальный перепад температур в конденсаторе теплового насоса;

Т2 - максимальная температура цикла.

Коэффициент эффективности характеризует эффект использования первичного топлива (в рассматриваемом случае - биогаза) при применении теплонасосного цикла в целях теплофикации. Положительные значения коэффициента эффективности свидетельствуют в пользу применения тепловых насосов. При отрицательных значениях коэффициента эффективности целесообразно применять другие технологические решения.

На рис. 2 представлены результаты моделирования с использованием функции

174

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012

коэффициента энергоэффективности (1) предложенной теплофикационной схемы. Температуру холодной воды задавали 15 °С, а температуру получаемой горячей воды после перегревателя 100 °С. Наблюдается экстремальный характер функции коэффициента эффективности: максимальное значение достигается при пТЭ = 75 % при температуре конденсации (максимальная температура рабочего тела в парокомпрессионном цикле) около 60 °С, при 45 % около 45 °С. Очевидно, эти значения более приемлемы с технической точки зрения. Практически равнозначны варианты с прямым сжиганием биогаза в газовом водонагревателе или с отбором части высокопотенциального теплоносителя (пара) из ТЭГУ Интересен вариант с использованием тепла дымовых газов в перегревателе для повышения общей энергоэффективности.

Теплопроизводительность парокомпрессионного теплового насоса в области изменения рабочих параметров лежит в диапазоне от 5 до 21 кВт. Количество получаемой горячей воды - от 0,1 до 0,4 м3/час. Объемная производительность компрессора теплового насоса, которая определяет массогабаритные параметры машины, в области изменения рабочих параметров находится в диапазоне от 20 до 100 м3/час. Мощность привода компрессорной установки лежит в диапазоне от 2 до 13 кВт.

Использование атмосферного воздуха в качестве рабочего тела в тепловых насосах перспективно в силу доступности и экологической безопасности этого природного ресурса. Воздух практически не загрязняется, циркулируя в аппаратах теплового насоса, его количество не уменьшается. Следовательно, в воздушных циклах мы наблюдаем полностью экологически безопасный круговорот атмосферного воздуха как рабочего тела.

Воздух как рабочее тело в этом случае имеет давление, как правило, ниже критического (~3,7 МПа), а температуру выше критической (—140 °С). В этой области рабочих давлений и температур эффективно применение адиабатических процессов расширения для получения низких температур. Результаты наших расчетов: в области исследуемых

ДфЭст

параметров (давление от 1 до 500 бар, температура от 140 до 600 К) подтверждают, что температурный эффект при изоэнтропийном расширении превосходит температурный эффект при дросселировании (изоэнтальпийном расширении) примерно в 250 раз.

Рис. 2. Графики зависимости коэффициента энергоэффективности от температуры конденсации. График 1-1- соответствует рТЭ = 75 %; график 2-2- соответствует рТЭ = 45 %

фективности теплонасосной схемы получения перегретой горячей воды заданной температуры с помощью воздушного теплового насоса:

1- 1 - температура получаемой воды 100 °С;

2- 2 - температура получаемой воды 150 оС;

3- 3 - температура получаемой воды 220 °С.

Максимальная температура воздуха в теплонасосном цикле на 20 оС выше температуры получаемой воды. КПД энергетической установки ПТГУ = 75 %. Электромеханический КПД теплового насоса пЭМ = 80 %

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012

175