CC BY
79УДК 662.995:66.047:662.62
Зюзин Б.Ф.,
Зюзин Борис Федорович, д. т. н., заведующий кафедрой «Торфяные машины и оборудование», декан факультета природопользования и инженерной экологии ТГТУ, PIE_TVER@mail.ru
Разаев Д.Д.
Разаев Денис Дмитриевич, аспирант кафедры «Торфяные машины и оборудование».
Zyuzin B.F.,
Prof., Chair, “Peat machines and equipment”, Dean of Faculty of Natural Resources and Environmental Engineering TSTU
Razaev D.D.
graduate student, “Peat machines and equipment”
КРИТЕРИАЛЬНЫЙ
МЕТОД ОЦЕНКИ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОЦЕССОВ
ГОРЕНИЯ
И ГАЗИФИКАЦИИ
ТОРФА
Аннотация. Анализ исследований в области химических реакций горения указывает на необходимость присутствия определенного количества водяных паров в реакциях газификации. Применение теории предельных состояний позволяет оценить энергоэффективность газификации исходного вида торфа.
CRITERION METHOD
FOR EVALUATING
THE ENERGY EFFICIENCY
OF COMBUSTION
PROCESSES
AND GASIFICATION
OF PEAT
Abstract. The analysis of researches in the field of chemical reactions of burning shows the necessity of presence of the certain quantity of water vapors in reactions of gasification. Application of the theory of limiting conditions allows to estimate effect of gasification of an initial type of peat.
Ключевые слова: торф, горение, газификация.
Key words: peat, burning, gasification.
Изучение основ химической кинетики горения и газификации имеет огромное значение для разработки технологий переработки и использования торфяного сырья. Основной задачей химической кинетики является изучение скорости и закономерности протекания химических реакций.
Помимо температуры и концентрации реагирующих веществ, на скорости протекания реакции в значительной мере сказывается наличие в смеси водяных паров или водорода. С ростом температуры скорость химических реакций горения очень быстро возрастает. Без водяных паров реакции газификации протекают с крайне низкой скоростью. Скорость реакции становится значительной при добавлении к смеси небольшого количества водяных паров или водорода [1, 2, 3].
Результаты исследования
кинетики отдельных реакций
В своих опытах И.Г. Петренко сделал попытку составить некоторую структурную схему механизма реакции взаимодействия углерода с водяным паром [1].
Это взаимодействие состоит из комплекса первичных гетерогенных химических реакций:
С + Н2О = СО + Н2, (1)
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2. (2)
Кроме того, еще возможно протекание вторичных реакций:
• гетерогенной реакции восстановления углекислоты:
СО2 + С = 2СО, (3)
• гомогенной, так называемой реакции конверсии окиси углерода водяным паром или реакции водяного газа, которая в контакте с углеродом имеет гетерогенный характер:
СО + Н2О = СО2 + Н2. (4)
Изучение этого процесса еще более сложно, чем процесса взаимодействия углекислоты с углеродом, который сводится
к одной, хотя и сложной гетерогенной реакции.
Кроме того, возможно еще протекание вторичных реакций между водородом, углеродом и окисью углерода СО с образованием метана:
2СО + 2Н2 = СО2 + СН4, (5)
С + 2Н2 = СН4. (6)
Большинство исследований [2, 3] подтверждает, что первичным оксидом является СО в результате реакции (1), а двуокись углерода СО2 образуется как продукт реакции конверсии окиси углерода (4).
В. Сивоненом, Л. Мейером [3] и другими было проведено исследование в вакууме на графитовой нити. Было установлено, что реакция протекает по нулевому порядку с энергией активации Е = 90 ккал/моль, проходя через стадии образования и распада поверхностного окисла. Определяющей является десорбция поверхностного оксида.
Исследования Л. Мейера велись в области t = 1000^2000°С [8], а В. Сивонена - в пределах t = 1700^2000°С [8]. Продуктом реакции горения была окись углерода СО, но при высоких температурах появлялась также СО2.
Ряд исследователей [2, 3] изучал реакцию разложения водяного пара в динамических условиях, т.е. при пропускании пара через слой древесного угля, кокса и антрацита при температурах 800^1300°С, варьируя время контакта газа со слоем частиц. Однако в результатах этих экспериментов не было определено влияние диффузии.
М.А. Майерс [3] считает, что первичной является реакция (1) и она сопровождается вторичной - конверсией окиси углерода (4), но при высоких температурах реакция осложняется восстановлением углекислоты (3).
На рис. 1 изображена реконструкция результатов опытов Р.Т. Хаслама [3] и его сотрудников в приведенной системе координат [1, 4].
Количество неразложидшегося Н20, % - Увеличение температуры 1, °С
Рис. 1. Зависимость изменения концентраций Н2, СО и СО2 от количества неразложенного водяного пара
Fig. 1. Variation of concentrations of H2, CO and CO2 on the amount of water vapor is not decomposed
По мере разложения водяного пара и уменьшения содержания Н2О во влажном газе сначала (до 70% неразложенного пара) содержание водорода Н2, окиси углерода СО и углекислоты СО2 возрастает пропорционально доле неразложенного пара Н2О. Далее (70-^40% неразложенного пара) СО2 практически не изменяется при постоянном увеличении СО и Н2. Затем содержание СО2 начинает снижаться при том же постоянном увеличении СО и Н2. Снижение содержания СО2 можно объяснить увеличением роли вторичной реакции восстановления углекислоты в связи с повышением температуры реагирования.
Проведем анализ вторичной реакции 2СО + 2Н2 = СО2 + СН4 для различных стадий газификации при росте температурного режима разложения.
При разложении водяного пара и уменьшении содержания Н2О во влажном газе в пределах 100-70% наблюдается рост всех концентраций СОТ, Н2Т, СО2Т и соответственно СН4. В пределах 70-40% происходит дальнейший рост концентраций СОТ и Н2Т при практически неизменной концентрации СО2Х. В этом случае следует ожидать дополнительного выделения метана СН4Т. В пределах 40-0% продолжается рост концентраций СОТ и Н2Т при снижении концентрации СО2[. В этом
случае следует ожидать более резкого увеличения выделения метана СН41 по сравнению с предыдущей стадией.
Таким образом, по мере разложения водяного пара и уменьшения содержания Н2О[ происходит рост концентрации СН41. Причем с уменьшением Н2О увеличение СН4 происходит более интенсивно. При этом, исходя из данных (рис. 1, табл. 1) можно установить, что зависимость гомогенной вторичной реакции (4), так называемой конверсии окиси углерода водяным паром или реакции водяного газа, выполняется (согласно закону сохранения массовых чисел) в диапазоне варьирования количества неразложенного водяного пара в пределах 0-40%.
Анализ данных табл. 1 позволяет установить еще одну особенность кинетики реакций горения. Изменение концентраций компонентов левой части уравнения (4) носит экстремальный характер с выраженным минимумом при Н2О = 40% (рис. 2). Тепловой потенциал торфяного топлива предлагается рассматривать как совокупность затраченной (З) и полученной (П) энергий.
Таблица 1. Анализ реакции СО + Н2О = СО2 + Н2
Table 1. Analysis of the reaction CO + H2O = CO2 + H2
Концентрация, % Количество неразложившегося Н2О, %
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
СО 100 82 66 51 37 28 20 14 9 4 0
СО + Н2О 100 92 86 81 77 78 80 84 89 94 100
СО2 0 4 7 9 11 11 11 10 7 4 0
Н2 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
СО2 + Н2 100 94 87 79 71 61 51 40 27 14 0
На рис. 2 приведена диаграмма диапазона протекания соответствующих реакций (4) и (5) [3].
Изучение механизма и скорости протекания реакций горения и газификации является актуальным и в наши дни, так как нередко выводы различных ученых противоречат друг другу, особенно это касается влияния влаги на происходящие процессы. Затраченная энергия (З) складывается из затрат на испарение влаги, на подогрев материала, на подогрев транспортирующих устройств, потерь тепла
в окружающую среду [5]. Полученная (Я) энергия характеризуется низшей теплотой сгорания (Д.И. Менделеев) [6]. Для оценки энергозатрат торфяного топлива теоретические расчеты проведены на 1 тонну абсолютного сухого вещества.
Количество неразложидшегося Н20, %
О W 50 100
Рис. 2. Диаграмма диапазона протекания реакций горения
Fig. 2. Chart range of reactions of combustion
Г.Л. Стадиковым и В.Е. Раковским был разработан метод элементного анализа (С - углерод, Н - водород, О - кислород, N - азот, Sл - летучая сера), который с небольшими изменениями применяется и по настоящее время [6].
Конституционная зольность (на сухое вещество) Ас, по данным С.Н. Тюремно-ва и Н.Д. Соколова, характеризуется показателями, представленными в табл. 2 [10].
В процессе производства торфяного топлива изменяются величины затраченной (3) и полученной (Я) энергий. Положительная величина (Я - 3) >0 свидетельствует об экономической целесообразности, эффективности и прибыльности производства торфяного топлива. Тогда показатель энергоэффективности затрат производства торфа можно представить в виде соотношения кэ = (Я - 3)/(Я + 3).
С физической точки зрения, данный показатель отражает относительную долю разности полученной и затраченной энергий, от преобладания которых может принимать положительные или отрицательные значения.
Если ввести показатель относительной энергоэффективности Э = Я/3, то получим следующее соотношение: кэ = (Э - 1)/(Э + 1). Определяющим параметром энергоэффективности затрат про-
изводства торфяного топлива можно принять Х = 1/Э.
Таблица 2. Элементный состав различных видов торфа
Table 2. The elemental composition of different types of peat
Тип торфа Элементный состав торфа на горючую массу, % (в скобках указаны средние значения) Зольность на сухую массу, %
Сг Нг Ог Ыг Элг Ас
Низинный оэ -48 (N ^ Ю 7) 5 : оо 4( 24,73.39,52 (32,125) 0,5.4 (2,25) 0,02.6,65 (3,335) )8 о ^ 5 ю СО 6
Переходный 49,9.65,1 (57,5) 4,8.6 (5,4) 26,22.43,28 (35,695) со LO С» CN о~ 0,12.4,26 (2,19) 6) : ю 4(
Верховой 48,0.64,8 (56,4) СО К CN 5, 26,42.45,17 (35,765) ,6 СО ^ cb â 0, 0,06.2,52 (1,29) 4) 5 : (N ю-со 2(
Критерий предельного состояния (рис. 3) энергоэффективности будет иметь вид Кр = Х(1 - Х)/
/(1 + Х), Кр = кэ(1 - кэ)/(1 + кэ), Кр = = (Э - 1)/[Э(Э + 1)].
Исследования полученных уравнений йКр/йЭ = 0 на экстремум определяют значение Кртах = 0,172 при Э = 2,41 для всех трех типов торфа. При этом показатель энергоэффективности затрат производства торфа кэ = 0,41, так же для всех трех видов.
Расчетные величины параметров энергоэффективности затрат производства торфяного топлива на 1 тонну абсолютно сухого вещества показывают, что максимальные значения энергоэффективности проявляются в пределах Э = 2,14...2,64, что соответствует следующему диапазону влажностей по нормам показателей качества топливного фрезерного и кускового торфа по влажности [6]: ар = 40.55 %,
При увеличении начальной влажности о > 75% максимальные значения энергоэффективности не соответствуют нормам показателей качества топливного фрезерного и кускового торфа по влажности. При уменьшении начальной влажности о < 75% экстремум функции Кр = /(Э) находится за пределами рассматриваемого диапазона влажностей, поэтому чем больше сушим, тем больше получаем теоретического тепла.
Рис. 3. Зависимость Кр = /(Э) при начальной влажности торфа юР = 75%
(не видно разницы между низинным, переходным, верховым торфом)
Fig. 3. Dependence of Kp = f (E) at an initial moisture content peat cop = 75%
(can not see the difference between the lowland, transition, peat)
Из сказанного выше следует, что начальная влажность торфа не должна превышать 75%, что актуализирует проблему полевой сушки торфа.
Расчетная схема для оценки величины предельной энергоэффективности как совокупности затраченной (3) и полученной (Я) энергий представлена на рис. 4.
В качестве эквивалентной величины (Эм) целесообразно выбрать среднее гармоническое значение относительно его затраченной (3) и полученной (Я) энергий [4]. Данный показатель будет характеризовать величину приведенной энергоэффективности для данных энергозатрат системы, относительно которой можно характеризовать уровень ее устойчивости.
Согласно расчетной схеме (рис. 4) имеем
_ 0,5 • (П - З) _ П - З R ~ 0,5 • (П + З) _ П + З
= кЭ = sin ф
sin ф = -
R-Э 0,5-(П + 3)-Э
М ? V / м
где
0,5 • (П - З)
П + З - 2 • Э
_________м
П-З
Рис. 4. Расчетная схема для оценки величины предельной энергоэффективности
Fig. 4. Computational scheme to estimate the marginal efficiency
Приравнивая два данных выражения для предельного состояния, получим следующее соотношение для определения величины приведенной энергоэффективности для данных энергозатрат системы:
Э = 2 •-
З • П (П + З)
Критерий предельного состояния энергоэфективности будет выглядеть следующим образом:
^ Э - З
КР = -^-----
Р П
Можно сделать следующий вывод: пределы изменения элементарного состава топлива соответствуют друг другу.
Поэтому элементный состав на горючую массу торфа для предварительных расчетов можно характеризовать следующими показателями: Сг = 56%, Нг = 6%, Ог = 35%, N = 1...3,5%, Sгл = 0,1...1,5%. Данное допущение также подтверждается зависимостью Кр=/(Э).
Как было отмечено выше, вне зависимости от вида торфа экстремальные
r
значения соответствуют следующим значениям: Кртах = 0,172, Э = 2,41, кэ = 0,41. Это является, с одной стороны, свидетельством сбалансированности затрачиваемой и получаемой энергий, с другой стороны -соблюдением основного закона подобия предельных инвариантов его состояния.
Обеспечение эффективного функционирования и развития предприятий агропромышленного комплекса возможно на основе не только расширения объемов производства продукции, но и применения инновационных технологий, позволяющих рационально использовать топливно-энергетические ресурсы.
В настоящее время для теплоснабжения зданий и сооружений, получения горячей воды для технологических нужд, получения пара и горячего воздуха для различных технологических процессов применяются водогрейные котлы, паровые котлы и теплогенераторы, в основном использующие дорогостоящие электроэнергию, каменный уголь, нефтепродукты и природный газ.
В то же время имеются значительные запасы топливосодержащих материалов и низкокачественного топлива (отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельскохозяйственного и других производств, торф, сланцы, бытовые отходы).
Газогенераторные установки позволяют утилизировать многие из указанных материалов, которые до сих пор используются в несущественных объемах. Их хозяйственное, рациональное применение может привести к весьма значительной экономии угля, электроэнергии, жидкого топлива, природного газа. Широкое внедрение газогенераторных технологий позволяет одновременно содействовать разрешению не менее важной задачи экологического плана - очистке значительной территории от указанных отходов. Газогенератор использует простой, хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное.
На стадии газификации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном количестве в камеру газообразования, нагреваются в реакторе и вступают между собой в реакцию, в результате которой топливо разлагается на углерод, пирогенетическую воду, смолы и масла.
Дальнейшая реакция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода (СО) - главного горючего компонента вырабатываемого газа. Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород метан. Минимальная теплотворная способность газа - 1100 ккал/м3. Усредненный состав сухого газогенераторного газа приведен в табл. 3.
Таблица 3. Состав газогенераторного газа Table 3. Composition of the gas generator gas
Состав газа СО СО2 СиОт Н2 О2 N2
Объемные, % 14-22 8-15 1-4 10-17 >5 50-60
В настоящее время разработаны конструкции газогенераторных установок различной мощности. Они позволяют при совместной работе с водогрейными или паровыми котлами, воздушными или водяными теплообменниками осуществлять теплоснабжение зданий и сооружений различного назначения, получать горячую воду, пар или горячий воздух для обеспечения технологических процессов (запарка кормов, стерилизация, сушка зерна и древесины и др.). В качестве топлива для газогенераторов может применяться древесная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1 до 200 см5), смесь кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно 1 : 1 по объему. Для производства кускового торфяного топлива пригодны любые торфяные месторождения со степенью разложения торфа не менее 15% и зольностью не более 23%, кроме небольшого числа месторождений низинного типа, на которых продукция обладает повышенной крошимостью. Сравнивая различные виды топлив по низшей рабочей теплоте сгорания топлива (табл. 4), можно сделать вывод, что кусковой торф обладает достаточно высокой теплотворной способностью. При этом средняя зольность угля - 27%, предельная - 40%. Средняя зольность кускового торфа - 5%, предельная - 23%. К тому же в торфе практически нет сернистых соединений. Топливом могут быть не только опилки и стружка, но мощность может снижаться на 20.40% из-за зависания топлива в бункере и неравномерности процесса газообра-
зования. Кроме того, возникает необходимость периодической шуровки (проталкивания) топлива или оснащения бункера специальными устройствами (с водооб-рушителями, вибраторами и т.п.), препятствующими снижению мощности. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролизной переработки древесины - лигнин, сформованный в топливный брикет (кусок).
Таблица 4. Тепловая ценность Q различных видов топлива
Table 4. Heat Q value various types of fuel
Виды топлива Q, МДж/кг Коэф. пересчета
Дрова сухие 7,9 3,68
Дрова сырые 4,2 7
Торф кусковой 13,5 2,2
Торфяной брикет 16,3 1,79
Бурый уголь 16,7 1,75
Воркутинский уголь 26,3 1,11
Условное топливо 29,3 1
Важной особенностью газогенераторов является их способность использовать различные виды топлива. В них может использоваться топливо практически любого качественного состава. Так газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившей древесиной и т.п.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью 45...50%. Для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата рекомендуется применять топливо с влажностью не выше 35%. Коэффициент полезного действия газогенераторной установки составляет 0,75.0,92.
Перечисленные эффективные качества способствовали широкому применению генераторного газа при получении тепловой энергии в 1920-1960 годах прошлого века - до начала масштабной разработки месторождений нефти и природного газа. На этот период приходится и расцвет газогенераторной электроэнергетики.
Среди видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии с экономической точки зрения в настоящее
время наиболее удобно использовать именно торф, запасы которого имеются в большинстве регионов нашей страны. В настоящее время существует примерно 1,5 тыс. торфяных месторождений, расположенных в 30 субъектах Российской Федерации. Энергетический потенциал торфа составляет более 49,5 млрд. т условного топлива, что превышает доказанные извлекаемые запасы нефти и сопоставимо с соответствующими запасами природного газа.
Сложный физико-химический процесс горения и газификации твердого топлива весьма тщательно и подробно описан в многочисленных трудах выдающихся ученых-теплотехников. Широко и многообразно практическое применение теории горения твердого топлива в большой энергетике и металлургии. Однако малая энергетика является более значимым потребителем твердого топлива на основе торфа.
В этой области, как в фокусе, объединился целый спектр разнообразных негативных явлений:
• общая техническая отсталость;
• пренебрежение достижениями науки и законами экономики;
• безразличие к труду человека и среде его обитания.
Совершенно не случайно с началом рыночных экономических отношений мы наблюдаем многократное увеличение цен на тепло по сравнению с общим увеличением стоимости товаров повседневного спроса и промышленного потребления.
Разорвать порочный круг, найти эффективные и экономически выгодные методы, дать научное обоснование и современные технические решения одной из наиболее болезненных проблем жизнеобеспечения и собственной энергетической безопасности - задача первостепенной важности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Канторович, Б.В. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива. / Б.В. Канторович. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1960.
2. Померанцев, В.В. Основы практической
теории горения: учебное пособие для вузов / В.В. Померанцев [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат:
Ленингр. отд-ние, 1986. 312 с.
3. Теория горения и топочные устройства: учебное пособие для студентов высш. учеб. заведений / Под ред. Д.М. Хзмаля-на. М.: Энергия, 1976. 488 с.
4. Богатов, Б.А. Прогнозирование предельных состояний в нелинейной геомеханике: монография / Б.А. Богатов, В.А. Миронов, Б.Ф. Зюзин [и др.]. Минск: БГА, 2000. 340с.
5. Богатов, Б.А. Искусственная сушка горных пород: учебное пособие / Б.А. Богатов, Г.А. Куптель, А.И. Яцковец. Минск: БНТУ, 2004. 156 с.
6. Лиштван, И.И. Физика и химия торфа: учеб. пособие для вузов / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов [и др.]. М.: Недра, 1989. 304 с.
