Методическое пособие 802

Ограничимся описанием лишь основных энергопреобразующих узлов и элементов схемы. Шнековый пресс: основное назначение – формирование топливных брикетов на основе отходов лесопереработки (опилки, кора древесины, горбыль, сучья деревьев и кустарников) смешивают с отходами очистных сооружений мясокомбинатов (фузой), содержащие остатки жиров, белка, крови. Полученная масса формуется в топливные брикеты. Процесс производства топлива является одной из основных стадий технологии с завершенным циклом переработки отходов производства. Топливные брикеты, полученные по этой технологии, имеют следующие преимущества в сравнении с прессованными отходами:

1.Имеют большую теплотворную способность.

2.Не подвержены деструкции.

3.Допускают хранение на открытом воздухе в интервале температур -50 +80 0С.

4.Исключают возможность самовозгорания.

Внешний вид образца (фото) приведен на рис. 2.

Рис. 2. Фото образца твердого топлива для газификации в генераторе обращенного типа

Одним из основных элементов энергоустановки является генератор газа обращенного типа. Использование такого генератора позволяет не только повысить эффективность работы энергоустановки, но и значительно снизить выбросы в атмосферу углекислого газа за счет его восстановления до CO в зоне фурменного пояса по схеме CO2 + C → 2CO (топливо). Реализация этого процесса определяет достаточно высокий коэффициент полезного действия для тепловых машин (~40-45 % в зависимости от режима работы и вида топлива).

Газогенератор является одним из основных компонентов операционнотехнологической схемы процесса с завершенным циклом переработки отходов производства [3-5]. Поэтому основное внимание при разработке технологии было уделено именно этому компоненту технологической схемы. Согласно данным литературных источников [6] процессы газификации твердого топлива осуществляется по нижеприведенным схемам реакции:

C + O2 → CO2 + 284,3 кДж/моль.	(1)
C + ½ O2 → CO + 109,4 кДж/моль.	(2)
C + CO2 → 2CO – 172,5 кДж/моль.	(3)
C +H2O → CO +H2 – 131,4 кДж/моль.	(4)
CO + H2O → CO2 +H2 + 41,1 кДж/моль.	(5)
C + 2Н2 → CН4 – 74,8кДж/моль.	(6)
CО + 3Н2 → CН4 +H2O + 206,2кДж/моль.	(7)
CО + Н2 → ½ CН4 +½ CO2 + 123,8кДж/моль.	(8)

На рис. 3. представлена камера газификации генератора обращенного типа однокамерного, работающего в условиях малого превышения внешнего давления относительно камеры газификации.

Как следует на рис. 3. камера газификации представляет собой теплофикационную систему, в которой тепловые потоки распределяются в конструкции с относительно малым градиентом температуры.

250

Рис. 3. Камера газификации газогенератора обращенного типа.

Однако при включении в состав газогенераторный системы преобразователей энергии пришлось разработать систему управления режимами регулирования интенсивности тепловых потоков. Поскольку основной задачей нашей работы является создание системы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, то использование всех источников тепловой энергии энергетического комплекса позволит более радикально решить эту задачу.

Основным элементом преобразователя является теплогенератор, питание топливом которого осуществляется от газогенератора. Такая компоновка энергоблоков обеспечивает большую надежность и эффективность ее работы. На рис. 4 показано размещение отдельных агрегатов энергоустановки с целью обеспечения режима максимального сбережения.

Рис. 4. Общий вид газогенератора с пультом управления и автоматики. Состав основных элементов газогенераторного блока: 1) приемный бункер твердого топлива; 2) питатель; 3) газогенератор; 4) распределительный щит питания и автоматики.

Такая компоновка позволит исключить из системы отопления циркуляционные насосы, так как циркуляция воды в радиаторах осуществляется за счет конвективного переноса. И как следствие – повышается надежность работы отопительной системы.

Поскольку в разрабатываемой системе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую предполагается использование различных методов: термоэмиссионного, тер-

251

моэлектрического, термогальванического, то в такой совокупности вероятность тепловых потерь может быть сведена к минимуму, а коэффициент полезного действия значительно возрасти. Обратимость тепловых эффектов при термоэлектрическом методе преобразования дает возможность всесезонного использования тепловых генераторов. При этом использование модульной системы агрегации обеспечит возможность переформатирования в сжатые сроки. Энергоустановка любого типа в своем составе должна иметь элемент резервирования питания.

Главное достоинство разрабатываемой энергоустановки состоит в том, что источникам энергии относятся к категории возобновляемым ресурсам, а основные компоненты топлива – отходы производства. При этом их объемы имеют почти «неограниченный» ресурс.

С позиций главного принципа природопользования необходимо произвести оценки ресурса содержания металлов в земной коре с одновременным анализом их свойств на предмет использования в качестве аккумуляторов энергии. На рис. 5 приведена номограмма содержания наиболее распространенных в земной коре металлов (индекс Кларка).

N lg 6

10

Рис. 5. Содержание металлов в земной коре (число Кларка) [7]

Особое положение алюминия определяет его приоритет в сравнении с другими металлами. В таблице 1 приведены основные характеристики элементов группы IIIA, на основании которых можно сделать выводы о перспективности их использования в специальных технологиях.

Вместе с тем по целому ряду вопросов свойства алюминия и его соединений, а также результаты экспериментальных исследований имеют неоднозначную оценку среди представителей различных научных школ. В частности, это касается механизма анодного растворения алюминия в растворе хлорида натрия. Существующее представление об активирующем действии хлорид-ионов на растворение оксидной пленки из Al2O3:

252

по меньшей мере, вызывает сомнение. Ведь электродный потенциал алюминиевого электрода относительно каломельного составляет -0,3 В при плотности тока 25 А/дм2. О какой адсорбции отрицательного иона может идти речь, если поверхность алюминиевого электрода тоже заряжена отрицательно?!

Таблица 1 Элементы подгруппы IIIA их основные характеристики и индекс использование

в разных технологических процессах [8]

		Бор	Алюминий	Галлий	Индий	Таллий
Среднее содержание в		4	75700	19	0,25	0,45
земной коре, г/т
Потенциал ионизации		800,2	1:577.5 (5.984)	578,7	558,0	588,9 (6,10)
кДж/моль (эВ)		(8,29)	2:1816.7 (18.828)	(6,00)	(5,78)
Плотность, г/см³		2,34	2,6989	5,91	7,31	11,849
Стандартные	элек-	-	-1,66 В	0	−0,34 В	Tl←Tl+ −0,338 В
тродные потенциалы						Tl←Tl3+ 0,71 В
из ряда напряжений
Температура	плавле-	2 348	933,5 (660)	302,93	429,7485	577 (304)
ния, K (°C)		(2 075)		(29,8)	(156,5985)
Молярная	теплоём-	11,09	24,2	26,07	26,7	26,3
кость Дж/(K·моль)
Твердость	(шкала	9,5	3	1,5	1	1
Мооса)

С другой стороны некоторые исследователи отрицают наличие параллельно проте-

кающего на аноде процесса окисления воды по нижеприведенной схеме:

2Н2О – 4е → О2 + 4Н+ . (9)

В отсутствие вышеприведенной реакции наличие химически активного атомарного кислорода необходимого для формирования окисной пленки на алюминии было бы невозможно. И в этом случае вероятность растворения алюминия по химическому механизму должна стать необратимым процессом.

Опыт работы по анодной обработке алюминиевой фольги в технологии производства электролитических конденсаторов позволяет нам с полным основанием утверждать, что на аноде (фольге) наблюдается бурное газовыделение. Так что же кроме кислорода может выделиться на аноде? Один из возможных вариантов механизма разрушения и образования оксидного слоя на алюминии представлен на рис. 6.

Рис. 6. К механизму растворения и образования оксида на алюминии, а также образование комплексного гидратированного иона алюминия

253

Электрохимический процесс разложения воды согласно термохимическим законам должен сопровождаться выделением теплоты за счет гидратации иона водорода H+ при образовании гидроксония , а также реакция молизации 2-х атомов кислорода. Однако наличие эффектов тепловыделения и теплопоглощения, проявление которых осуществляется на различных стадиях процесса, а также специфическое проявление эффекта Сорэ, определяющего скорость частиц во взаимосвязи с их молекулярной массой, дают основание заключить, что миграционные процессы при анодной обработке алюминия носят более сложный характер.

С другой стороны, специфика образования пор и главное характер их морфологии в зависимости от плотности тока позволили нам разработать математическую модель процесса формообразования в структурах металлов, склонных к переходу в пассивное состояние [9].

Весьма высокая теплоемкость алюминия оказывает определенное влияние на термокинетику электрохимических систем, что определяет динамику диффузионных потоков при анодном растворении алюминия.

Литература

1.Иванов В.Ф. Очистка городских сточных вод. Изд. 2-е. Издание Одесского ОНТУ ВСНХ УССР, 1929 – 512 с.

2.Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г.; Под ред. Легасова В. А.. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 264 с.

3.Шалимов Ю.Н., Койфман О.И., Теруков Е.И., Литвинов Ю.В., Гусев А.А., Батаронов И.Л., Парфенюк В.И., Лутовац М., Тириченко Ю.С., Шалимов Д.Л., Токарева И.А. Павлов А.С., Трофимец И.Н., Голодяев А.И. Водород в системах традиционной и альтернативной энергетики. //Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2013.

№5-1 (125). С. 10-44.

4.Шалимов Ю.Н., Кудряш В.И., Шуклин И.К., Евсеев Е.П., Захаров П.Д., Помигуев А.В., Руссу А.В. Технологии получения биотоплива для установок газификации автономного типа с новым принципом обратной связи из отходов деревообработки, сельхозпроизводства и локальных очистных сооружений мясокомбинатов.// Российский Инженер. 2017. № 2 (7).

С. 13-19.

5.Руссу А.В. Использование метода функционального моделирования при исследовании работы газогенератора/ Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий: сб. тр. IX междунар. конф. «ПМТУКТ-2016» / под ред. И.Л. Батаронова, А.П. Жабко, В.В. Провоторова; Воронеж. гос. техн. ун-т., Моск. гос. ун-т., С.- Петербург. гос. ун-т., Воронеж. гос. ун-т., Пермск. гос. нац. исслед. ун-т, Пермск. нац. исслед. политех. ун-т. – Воронеж: Изд-во «Научная книга», 2016. – 468 с., с. 289-293

6.Токарев Г.Г. Газогенераторные автомобили: М. 1955, - 207 с.

7.Справочник по геохимии. Войткевич Г.В. , Кокин А.В. , Мирошников А.Е. , Прохо-

ров В.Г. М.: Недра, 1990,- 480 с.

8.Справочник химика в 7 томах, под общей редакцией чл. -корр. АН СССР Б. П. Никольского, 1962–1966 гг.

9.Шалимов Ю. Н. Влияние тепловых и электрических полей на электрохимические процессы при импульсном электролизе: дис. ... д-ра техн. наук : 05.17.03 Воронеж, 2006. 354 с.

1Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Воронежской области

2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

3ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет»

4Воронежский институт МВД РФ 5Военный Учебный Научный Центр Военно-Воздушных Сил «Военно-Воздушная

Академия» им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина

254

6ОАО «НКТБ «Феррит»

V.I. Stupin1, Yu.N. Shalimov2, V.A. Shamaev3, V.I. Kudryash4,

E.P. Evseev5, S.A. Tolstov6, D.L. Shalimov7, A.V. Russu5

RATIONAL USE OF NATURAL RESOURCES IS THE MAIN DIRECTION

OF DEVELOPMENT OF ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES WITH THE COMPLETED

CYCLE OF WASTE MANUFACTURE PROCESSING

In the work processes of waste utilization of agricultural production and timber processing industry are considered. It is shown that using simple methods of waste processing it is possible to obtain high-calorific fuel used for gasification processes in reversed-type generators. In this case, safer processing is realized, eliminating the release of carbon dioxide, dioxins and sulfur oxides into the atmosphere. With the organization of complete waste processing, a system with a completed cycle of processing of industrial waste is created, which excludes the processes of burial of a career type waste. A recycling system is proposed that allows the simultaneous production of organ mineral fertilizers, the prospects for using them in agriculture are much more effective, since the resource of their work exceeds the mineral fertilizers by almost an order of magnitude and their use allows the humus layer of soils to be restored.

Key words: natural resources, energy-saving technologies, gas generation, technologies with complete cycle of waste processing, humic layer, feedback system, electrochemical converter, alternative energy.

1Management of the Federal Service for Supervision of Nature Management (Rosprirodnadzor) in the Voronezh Region

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Technical University»

3Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Forestry University»

4Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation 5Military Training Center for Air Force «Military Air Academy» them. prof. N.E. Zhukovsky

and Yu.A. Gagarin 7OJSC «NCTB «Ferrite»

255

УДК 577.1

Ю.Н. Шалимов1, М. Лутовац2, Б. Лутовац3, А.В. Руссу4

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЙ МАСЛОПЕРЕРАБОТКИ

В работе рассмотрены процессы очистки парофазной воды от веществ, загрязняющих ее состав и ухудшающих технологический процесс производства подсолнечного масла. Сброс такой воды в очистные сооружения запрещен всеми правилами и нормативами органов охраны природы. Очистка производится методом флотации для выноса твердой фазы электролитическим водородом и дополнительной анодной обработкой электролитическим кислородом. Такая комбинированная очистка позволяет на порядок понизить концентрацию веществ химического потребления кислорода (ХПК).

Ключевые слова: флотация, вещества, химически поглощающие кислород, анодная обработка воды, газогенераторный комплекс, ферментация продуктов жизнедеятельности птицы, гумусный слой почвы.

Современные технологии переработки подсолнечника позволяет значительно увеличить выход полезного продукта (масло) с единицы массы исходного сырья. Повышение эффективности технологического процесса обеспечивается путем использования температурной паровой обработки массы. Однако в процессе обработки парофазная система постепенно насыщается компонентами веществ химически поглощающих кислород (ХПК). Определенная концентрация веществ ХПК в составе масла резко снижает качество конечного продукта. Кроме того, сброс этих загрязнений в локальные очистные сооружения фактически не приемлем, поскольку микробиологическая очистка стоков становится малорезультативной [1-9].

Корпорация «Эфко» поставила перед нами задачу по устранению недостатков указанной технологии и определению методов их устранения. Наше предположение состояло в том, что одной из причин изменения качества воды могут быть механические включения из твердофазных частиц, остающихся в воде после обработки спрессованной массы. Изменение оптической плотности раствора было установлено экспериментально. Для очистки раствора от механических включений мы использовали флотацию твердофазных частиц электролитическим водородом. Использование электролитического водорода позволяет значительно повысить эффективность очистки растворов от механических включений. Механизм взаимодействия водородного пузырька с твердофазными частицами представлен на рис. 1.

Рис. 1. К механизму флотации твердофазных частиц электролитическим водородом: а – крупный размер пузырьков; б – мелкие пузырьки

Как следует из рисунка 1, степень дисперсности водорода определяет минимальный размер частиц, извлекаемых из раствора. Изменение степени дисперсности электролитического водорода зависит главным образом от плотности поляризующего тока.

_________________________________

© Шалимов Ю.Н., Лутовац М., Лутовац Б., Руссу А.В., 2019

256

Это связано с тем, что число центров нуклеации (центров зарождения водородных пузырьков) определяется локальной плотностью тока. Так как вероятность электрохимического взаимодействия (разряда частицы) прямо пропорциональна плотности тока на катоде и их концентрации, то для сохранения этого паритета (т.е. постоянство концентрации) нами был использован импульсный метод электролиза.

Основные закономерности для импульсного электролиза определяются из следующего уравнения:

		,	(1)
где Q – скважность импульсного тока; T – период следования импульсов;			- длительность
импульсов.
Максимальное значение Q выбирается из условия:
,			(2)

где – собственное время релаксации иона, определяющее время протекания процесса разряда. На рис. 2 представлена блок-схема установки импульсного тока.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема установки импульсного тока:

В – выпрямитель; ЭВ – электролитическая ванна; БП – блок питания схемы управления; ИГ – импульсный генератор.

Для повышения эффективности воздействия импульсного тока в установке используется узел ИТП позволяющий снизить затраты от источника тока на перезарядку емкости двойного электрического слоя. Однако ликвидация твердой фракции из состава раствора не устраняет действие растворенных веществ ХПК на физико-химические свойства воды.

Действенный эффект получен нами при очистке технологической параметрической воды методом анодной обработки в специальном реакторе-электролизере, конструкция которого приведена на рис. 3.

257

Рис. 3 Конструкция электролизера-реактора для анодной обработки параметрической технологической воды

Вкачестве материала анода используется стеклоуглеродная сетка с диаметром волокон

~50 мкм, выполненная в виде круга. Катод выполнен из такого же материала по аналогичной схеме, и он расположен под анодом на расстоянии 0,2 мм, что обеспечивает возможность

электролитического разложения воды по схеме:
(+)Анод: 2Н2О – 4е → О2 + 4Н+	(2)
(-)Катод: 2Н2О + 2е → H2 + 2OH-	(3)

Вреакции образования кислорода на аноде молекула O2 образуется из двух атомов O, поэтому даже при малых временах дезинтеграции кислорода атомарный кислород, активно окисляет молекулы веществ ХПК. В качестве одного из факторов, повышающих эффективность действия кислорода, является температура электролита. Установлено, что при температуре +80 °С кислород удаляется из воды наиболее интенсивно (максимальная скорость де-

аэрации). В результате этого воздействия кислорода на молекулы ХПК энергозатраты на очистку воды содержащихся в ней веществ ХПК для электролиза с рабочим объемом 0,1м3 составляет 250 Вт·час на 1м3. При этом условии содержание ХПК снижается со 100 % до 10

%.Простота и доступность используемых материалов позволяет решить сложную проблему технологически простыми способами. Применяемый в настоящее время метод очистки с помощью ионообменных мембран оказался менее эффективным и более энергозатратным во времени, а утилизация требует дополнительных затрат.

Не менее важной проблемой предприятий маслопереработки является утилизация подсолнечной шелухи. Практикуемое прямое сжигание в печах утилизации наносит серьезный урон окружающей среде. Вынос в атмосферу окислов углерода не единственное воздействие на атмосферу. В состав отходящих газов включен и твердофазный углерод (сажа).

На предприятии «Эфко» ежедневная переработка подсолнечника составляет ~ 80т/сут отходов. Для данного предприятия нами был предложен проект энергетического комплекса переработки отходов производства, работающий по замкнутому технологическому циклу.

Всостав комплекса входят:

1.Энергоблок производства тепловой и электрической энергии

2.Предприятия производства топлива.

3.Водоочистные сооружения мясокомбината

258

4. Предприятия по производству органоминеральных удобрений. Функционально-технологическая схема взаимодействия этих объектов представлена на

рис. 4.

Рис. 4. Функционально-технологическая схема взаимодействия предприятий

В состав энергетического блока входят блоки газогенерации твердого топлива, работающие на общий ресивер-накопитель генераторного газа, блоки газовых дизелей, приводящих во вращение роторы электрогенераторов. Проектируемая установленная тепловая мощность выбирается из условия переработки всех отходов производства маслоперерабатывающего предприятия (80 т в сутки). Опытным путем нами установлено, что при переработке 80 т условного топлива методом газогенерации может быть получено 80 МВт*час электрической и 240 Гкал тепловой энергии. В этом случае электрическая мощность комплекса должна составлять не менее 3,5 МВт. Генерацию такой же электрической мощности могут обеспечить 8 блоков газогенерации, работающие на суммирующей ресивер-накопителе. При этом один из блоков газогенерации будет осуществлять резервирование. Ежегодные выработки электрической и тепловой энергии от комплекса составит ~30 ГВт*час и ~ 90 тыс. Гкал. На рис. 5 представлен общий вид установки блока газификации твердого топлива.

Для привода электрогенераторов рационально использовать дизельные двигатели на газе. Поскольку генераторный газ представляет собой газовую субстанцию из газов CO, CH4, H2, то нами была проведена реконструкция фурменного пояса, в результате которой соотношение компонентов в смеси было изменено путем введения в состав материала катализаторов процесса генерации водорода. Это позволило не только повысить теплотворную способность газа, но и сократить выброс в атмосферу дымовых газов.

Современная энергетика базируется на традиционных схемах получения электрической энергии: химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию, затем тепловая – в механическую, и наконец, механическая в электрическую энергию. Однако в последнее время получило развитие научные исследования в области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Основной проблемой в этом научном поиске следует счи-

259