CC BY
44
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 66.092-977
Н. Ф. Тимербаев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ПРЯМОТОЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ
Ключевые слова: исследование, пиролиз, газификация, сушка, пиролиз, термическое разложение, сушка, синтез-газ, биомасса, математическое описание, экспериментальная установка.
Проведено экспериментальное исследование и математическое моделирование процесса прямоточной газификации отходов деревообработки. Приведено описание лабораторных установок. Установлено влияние основных режимных параметров на процесс газификации.
Keywords: research, pyrolysis, gasification, drying, pyrolysis, thermal decomposition, drying, synthesis-gas, a biomass,
the mathematical description, experimental installation.
The experimental research and mathematical modeling of process of direct-flow gasification of a waste of a woodworking is spent. The description of laboratory installations is resulted. Influence of the basic regime parameters on gasification process is established.
Процесс газификации древесных отходов представляет собой совокупность сложных, взаимосвязанных физико-химических процессов таких как сушка древесной
биомассы, ее пиролиз, гомогенное сгорание летучих продуктов и гетерогенные
превращения на поверхности коксового остатка [1]. Для разработки эффективного
аппаратурного оформления процесса энерготехнологической переработки влажных древесных отходов с применением метода прямоточной газификации необходимо теоретическое и физическое моделирование основных процессов сопровождающих газификацию.
Рис. 2 - Схема экспериментальной установки для исследования процесса прямоточной газификации древесных отходов
На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки для исследования процесса прямоточной газификации отходов деревообработки. Экспериментальная установка состоит из последовательно соединенных газификатора 1, камеры дожигания генераторного газа 2, теплообменника 3, системы очистки топочных газов в виде абсорбера 4, модуля управления и регистрации данных 5.
На установке исследованы гетерогенные процессы, протекающие в восстановительной зоне реактора газификации, определено влияние входных параметров на процесс прямоточной газификации древесных отходов.
Моделирование проводилось для древесных отходов сосны, имеющих форму пластины толщиной 0,01м при начальной температуре частиц Тн=25 °С до условия
достижения сушильным агентом степени насыщения ф=0,95 [3].
Для повышения эффективности энерготехнологической переработки
высоковлажных древесных отходов
целесообразно использование предварительной сушки топлива подаваемого в газификатор, за счет тепла отработанных топочных газов либо тепла, получаемого при охлаждении синтез-газа.
Анализ влажности топочных газов в зависимости от температуры и влагосодержания отходов [2] показал, что, несмотря на большое количество влаги, содержащейся в топочных газах, они имеют достаточный потенциал влагопоглощения и могут быть использованы в качестве сушильного агента.
В результате проведенных исследований установлено, что оптимальным является время пребывания, за которое сушильный агент (топочный газ) в результате сушки древесных отходов достигает уровня степени насыщения, близкого к значению 0,95. Более длительное пребывание топочного газа в сушильном бункере нежелательно, так как в верхней части сушильного бункера, начинается процесс конденсации топочных газов на поверхности холодных древесных частиц, поступающих из загрузочного шлюза [4].
Результаты исследований процессов [5, 6], протекающих в пиролизной и восстановительной зонах прямоточных газификаторов, представлены на рис. 2ч4. На рис. 2 представлены экспериментальная и
расчетная кривые зависимости убыли массы древесного вещества от температуры процесса в пиролизной зоне.
Рис. 2 - Зависимость убыли массы от
температуры нагрева: 1-материал (э); 2-
материал (р), 3- лигнин (р), 4- целлюлоза (р), 5-гемицеллюлоза (р)
На рис. 3 показана зависимость состава генераторного газа от влажности древесных отходов. Как видно из данных зависимостей, увеличение влажности отходов приводит к увеличению образования диоксида углерода и водяного пара и уменьшению окиси углерода и водорода. Увеличение образования диоксида углерода связано с уменьшением температуры в зоне восстановления и, как следствие, снижением скорости реакций восстановления, что в свою очередь и приводит к уменьшению содержания углекислого газа и увеличению количества водяных паров [7]. Содержание водорода в генераторном газе при значениях влажности в пределах 18-22% имеет максимальное значение, однако с дальнейшим увеличением влажности отходов количество водорода уменьшается в результате понижения температуры в зоне восстановления.
Рис. 3 - Зависимость состава генераторного газа от влажности отхдов:1 - СН4; 2 - СО; 3 - СО2; 4 - Н
На состав генераторного газа, также оказывает влияние расход окислителя в зоне горения. Увеличение расхода окислителя до значения коэффициента избытка воздуха 0,7 приводит к росту температуры в
восстановительной зоне газификатора и, как следствие, к росту содержания горючих компонентов окиси углерода и водорода и уменьшению доли невосстановленного диоксида углерода в генераторном газе. Это объясняется смещением константы равновесия
эндотермических реакций восстановления диоксида углерода и паров воды в сторону образования водорода и окиси углерода при более высоких температурах. Увеличение содержания в генераторном газе водорода и окиси углерода, также связано с ростом скорости химических реакций в зонах горения и восстановления за счет увеличения температуры.
Также на установке для исследования процесса прямоточной газификации отходов деревообработки определено влияние содержания летучих в угле в зоне восстановления на состав и теплоту сгорания генераторного газа. Содержание основных горючих компонентов генераторного газа, при увеличении содержания летучих в угле с 5 до 24%, возрастает, что повышает теплотворную способность генераторного газа. Однако опыты показывают, что дальнейшее увеличение содержания летучих в угле приводит к образованию неразложившихся смол в генераторном газе.
На установке исследовано влияние высоты зоны восстановления на параметры генераторного газа (см. рис. 4). Результаты исследований показывают, что с увеличением высоты зоны восстановления до 125-135 мм содержание горючих компонентов в генераторном газе увеличивается. Однако дальнейшее увеличение высоты (свыше 135 мм) сопровождается снижением теплотворной способности генераторного газа, вследствие уменьшения количества окиси углерода и метана, связанное с падением температуры в конце зоны восстановления и протеканием обратных реакций. При этом содержание водорода возрастает незначительно.
Рост концентрации горючих компонентов в генераторном газе наблюдаеется до значений скорости фильтрации равных 7,4 м/с, далее идет снижение концентраций горючих компонентов. Это можно объяснить тем, что увеличение скорости фильтрации до определенных значений уменьшает толщину пограничного слоя вокруг частиц угля, что приводит к увеличению концентрации диоксида углерода на
поверхности угольных частиц и, как следствие, увеличению скорости восстановительных реакций. Однако, чрезмерное увеличение скорости фильтрации газифицирующего агента
приводит к проскоку СО2 и Н2О мимо
угольных частиц, что снижает концентрацию СО и Н2 в генераторном газе.
Уі, %
4
*
\ -
2
—•—и — 1
УСН4, %
2.2
40 60 80 100 120 140 Н,мм
Рис. 4 - Зависимость состава генераторного газа от высоты зоны восстановления: 1 - СО2; 2 - Н2; 3 - СН4; 4 - СО
Уменьшение фракционного состава угля в восстановительной зоне приводит к увеличению скорости восстановления диоксида углерода, что согласуется с общими законами химической кинетики.
Таким образом, в ходе математического моделирования и экспериментальных
исследований были определены параметры процессов сушки, пиролиза и прямоточной газификации, значительно влияющие на
химический состав и теплотворную способность получаемого генераторного газа.
Исследования по данной работе выполнены в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научнотехнологического комплекса России на 20072013 годы по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки древесных отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской федерации.
Литература
1. Сафин, Р. Г. Технологические процессы и
оборудование деревообрабатывающих
производств. / Сафин Р.Г.М. МГУЛ 2002 г. -688 с.
2. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса сушки влажных древесных отходов отработанными газами котельных установок / Н.Ф. Тимербаев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Известия высших учебных заведений «Химия и
26
3
22
18
14
10
химическая технология». - 2006 г. - Том 49. -Вып. 11. - С. 103-105.
3. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса очистки дымовых газов образованных при сжигании органических отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 11. -С. 243-247.
4. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса сушки древесных частиц при кондуктивном подводе тепла / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, № 4. -С.84-90.
5. Тимербаев, Н.Ф. Газификация органических видов топлива / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин,
А.Р. Хисамеева // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, - № 1. - С.326-330.
6. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса прямоточной газификации древесных отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, А.Р. Хисамеева // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14,- № 7. -С.75-80.
7. Тимербаев, Н.Ф. Исследование
восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г Саттарова, Д.А. Ахметова // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14,-№ 8. -С.90-96.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected].
