Study of the process of heat and mass transfer in a pyrolysis plant for heating livestock premises

Abstract

Agricultural production is one of the most energy-intensive sectors of national economy. One of the unsolved problems of modern livestock breeding in Ukraine remains the creation of standardized conditions for keeping animals in livestock buildings. High concentration of livestock per unit area leads to deterioration of air composition, which is polluted with ammonia, hydrogen sulfide, carbon dioxide and dust. As a result, slaughter increases, weight gain and safety of animals decrease. The standardized air exchange of livestock buildings is provided by the system of mechanical forced supply and exhaust ventilation. The main part of energy in animal husbandry, about 50%, is spent on maintaining the required microclimate parameters. During the heating period, which lasts 6-9 months in 80% of Ukraine, it is necessary to heat air blown into livestock buildings. For this purpose, from 60 % to 80 % of total heat energy consumed is used. At the same time, to ensure the required microclimate parameters inside the livestock house, ventilation air is removed to the atmosphere and, along with harmful substances, a significant amount of heat is removed (90% of total heat loss of buildings). For Ukraine, which has a developed agriculture that produces a significant amount of organic waste, biomass could become a priority source of renewable energy resources. Currently, one of the directions of energy utilization of biomass is production of fuel gas obtained by its thermal decomposition. The study of a large number of pyrolysis plants of various designs cited in scientific literature allows us to conclude that many technologies cannot be sufficiently efficient due to a number of drawbacks: improvement of technological modes is not considered in functional connection with heat and mass transfer and hydrodynamic processes in pyrolysis chambers during thermal decomposition of organic raw materials; no measures are provided for prompt response to current changes in physical and mechanical properties in the feedstock flow and correction of pyrolysis process parameters in order to achieve the required optimal results, which does not allow predicting the composition of resulting gas. Therefore, research aimed at the development of technology for effective heating of livestock buildings is relevant.Сільськогосподарське виробництво є однією з найбільш енергоємних галузей народного господарства. Однією з невирішених проблем сучасного тваринництва в Україні залишається створення нормованих умов утримання тварин у тваринницьких приміщеннях. За високої концентрації поголів'я на одиницю площі, відбувається погіршення складу повітря, яке забруднюється аміаком, сірководнем, вуглекислим газом і пилом. Унаслідок цього збільшується падіж, знижуються приріст маси та збереженість тварин. Нормований повітрообмін тваринницьких приміщень забезпечується системою механічної примусової припливновитяжної вентиляції. Основна частина енергії у тваринництві, близько 50 %, витрачається на підтримання необхідних параметрів мікроклімату. Під час опалювального періоду, який на 80% території України триває 6-9 місяців, необхідно підігрівати повітря, що нагнітається у тваринницькі приміщення. З цією метою використовується від 60 % до 80 % усієї витраченої теплової енергії. Водночас для забезпечення необхідних параметрів мікроклімату всередині тваринницького приміщення вентиляційне повітря видаляється в атмосферу і, поряд зі шкідливими речовинами, видаляється значна кількість теплоти (90 % від загальних тепловтрат будівель). Для України, яка має розвинене сільське господарство, що продукує значну кількість органічних відходів, біомаса може стати пріоритетним джерелом відновлюваних енергоресурсів. Нині одним із напрямів енергетичного використання біомаси є виробництво паливного газу, отриманого шляхом її термічного розкладання. Дослідження великої кількості піролізних установок різної конструкції, наведених у науковій літературі, дає змогу дійти висновку про те, що багато технологій не можуть бути достатньо ефективними через низку недоліків: удосконалення технологічних режимів не розглядають у функціональному зв'язку з тепломасообмінними та гідродинамічними процесами в камерах піролізу під час термічного розкладання органічної сировини; не передбачено заходів оперативного реагування на поточну зміну фізико-механічних властивостей у потоці сировини та кореляції з нею; не передбачено заходів оперативного реагування на поточну зміну фізико-механічних властивостей у потоці сировини та кореляції параметрів технологічного процесу піролізу з метою досягнення необхідних оптимальних результатів, що не дає змоги прогнозувати склад отриманого газу. Тому дослідження, спрямовані на розробку технології ефективного опалення тваринницьких приміщень є актуальними.