Оценка эффективности использования парогазовых продуктов пиролиза древесных отходов в качестве рабочего тела в газотурбинных установках и двигателях внутреннего сгорания

Abstract

Актуальность темы обусловлена возможностью использования такого вида топлива, как парогазовые продукты пиролиза древесных отходов, в качестве основного или вспомогательного топлива для выработки электрической энергии. Направления, связанные со снижением углеродных выбросов, позволят расширить области применения пиролиза как средства переработки промышленных отходов, сводя к минимуму их воздействие на окружающую среду. Цель: исследование вопросов повышения эффективности выработки электрической энергии на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках при работе на продуктах пиролиза древесных отходов с целью сокращения потребления невозобновляемых энергоресурсов, таких как уголь, нефть и природный газ. Объекты: установка пиролиза древесных отходов, двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные установки, работающие на парогазовых продуктах пиролиза древесных отходов. Методы: численные методы исследования на основе математического моделирования систем и элементов двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок на основе материальных и энергетических балансов. Результаты. Разработана математическая модель и программа для теплового расчета двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок, сжигающих парогазовые продукты пиролиза. Проведен параметрический анализ влияния температуры выхода парогазовых продуктов из пиролизной установки на эффективность работы, электрическую мощность и температуру уходящих газов рассмотренных силовых агрегатов. Установлено, что для утилизации парогазовых продуктов пиролиза с целью получения электрической энергии наиболее эффективно применение двигателя внутреннего сгорания, работающего по термодинамическому циклу Тринклера, и газотурбинной установки, работающей по термодинамическому циклу Брайтона, при этом абсолютный электрический коэффициент полезного действия в номинальном режиме работы пиролизной установки составляет 23,34 и 22,28 % соответственно. Выявлено, что при использовании парогазовых продуктов пиролиза в качестве вспомогательного топлива к метану в объемной составляющей 25 %, снижение мощности силового агрегата ожидается не более 10 %.

The relevance of the topic is caused by the possibility of using such energy resource as a steam-gas products of pyrolysis of wood waste as the main or auxiliary fuel for electrical energy generation. These areas associated with a decrease in carbon emissions will allow expanding the scope of pyrolysis as a means of processing industrial waste, minimizing their impact on the environment. The main aim is to study the issues of increasing the efficiency of electric power generation of internal combustion engines and gas turbine plants working on pyrolysis products of wood waste in order to reduce the consumption of non-renewable energy resources, such as coal, oil and natural gas. Objects: wood waste pyrolysis unit, internal combustion engines and gas turbine plants operating using steam-gas products of wood waste pyrolysis. Methods: numerical research methods based on mathematical simulation of systems and elements of internal combustion engines and gas turbine plants based on material and energy balances. Results. The authors have developed a mathematical model and a simulation program for internal combustion engines and gas turbines burning steam-gas pyrolysis products. A parametric analysis on the influence of the steam-gas products outlet temperature from the pyrolysis plant on the efficiency, electric power and temperature of the exhaust gases of the considered power units was carried out. It was found that for utilization of steam-gas pyrolysis products in order to obtain electrical energy, the most efficient solution is an internal combustion engine operating via Trinkler thermodynamic cycle and a gas turbine unit using according to Brayton thermodynamic cycle, while the absolute electrical efficiency in the nominal operating mode of the pyrolysis unit is 23,34 and 22,28 % respectively. It was found that when using steam-gas pyrolysis products as an auxiliary fuel together with methane with a volumetric fraction of 25 %, the decrease in the power of the power unit is expected to be no more than 10 %.