Аналіз експериментальних досліджень процесу газифікації низькосортних палив Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)

УДК 674.8:662.765.1 Article info Received 13.01.2017

АНАЛ1З ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛЩЖЕНЬ ПРОЦЕСУ ГАЗИФ1КАЦН НИЗЬКОСОРТНИХ ПАЛИВ

С. С. Лис

НУ "Львiвська полтехнжа", м. Львiв, Украша

Сьогодш у багатьох краТнах активiзувалися роботи зi створення та вдосконалення технологи тер-мiчного перероблення твердого палива в газоподiбне паливо (синтез-газ), яке е зручним для подаль-шого спалювання, як у пальниках котлiв рiзного призначення, так i в камерах згорання двигушв рiз-них типiв. Головною перевагою технологи газифкаци твердого палива е низький рiвень негативного впливу на навколишне середовище. Тому, за результатами теоретичних та експериментальних досл^ джень потрiбно визначити технологiчнi параметри роботи газогенераторноТ установки з визначен-ням рацiональних параметрiв процесу: розмiрiв частинок та вологост подрiбненоТ деревини, кшь-костi повiтря, яке подають в камеру газифкаци, та розробити практичш рекоменIцацiТ щодо термiч-ного перероблення деревини.

Ключоег слова: газифкащя твердого палива, газоподiбне паливо, синтез-газ.

верхньо1 частини корпуса до споживача та для зливу сконденсованих речовин, що дае змогу нагр1вати по-в1тря, яке нагштаеться в камеру газифжацп, i охоло-джувати синтез-газ. Зрiзанi конуси та частини корпуса з'еднаш болтами, що забезпечуе простоту в обслуго-вуваннi.

У процес проведения експериментальних досль джень використовували сумiш деревини (верба (Salix alba L.) в кшькосп 1/3 ввд загально1 маси сумiшi, сосна (Pinus sylvestris) - 1/3 ввд загально! маси сумiшi, береза (Betula pendula Roth.) - 1/3 вщ загально! маси сушш).

Завдання полягае у визначеннi залежностi нижчо! теплоти згорання синтез-газу вiд кшькосп повiтря, розмiрiв частинок та вологосп подрiбнено1' деревини, яку подають у газогенератор.

Для встановлення характеру впливу змшних фак-тор1в на нижчу теплоту згорання синтез-газу застосо-вано трирiвневий В-план (В3). Рiвнi та штервали змь нювання факторiв наведено в табл. 1.

Табл. 1. PiBHi та ¡нтервали змшювання фактор1в

Вступ. Одним з найпотужнiших альтернативних та екологiчно чистих джерел енергй е деревне паливо. 1стотною перевагою деревного палива е його еколо-гiчна чистота: деревина не мктить сiрки, хлору та ш-ших шкiдливих для атмосфери елеменпв. Пiд час згорання деревина видшяе таку саму кiлькiсть СО2, яку спожила у процесi зростання (Belikov, & Kotler, 2004).

Вщомо чимало способiв перероблення деревини та ввдходгв з не! в енерпю. Проте одним з найперспек-тившших е газифiкацiя, тому що синтез-газ (який ут-ворюеться у процес газифшацп деревини) можна ви-користовувати як паливо для котлгв комунальних ко-телень; для зрiджування; як паливо (шсля охолоджен-ня i очищення) для двигуна внутрiшнього згорання з метою отримання мехашчно! або електрично! енергй (з використанням когенерацшно! установки) (Basu Prabir, 2010; Lys, & Mysak, 2012a).

Тому технолопя термiчного перероблення деревини в газоподiбне паливо е актуальною задачею, вирь шення яко! дасть змогу створити еколопчно чисте джерело енергй', яке е альтернативою природному газу та газифшацп вуплля.

Матерiали та методи дослiдження. Для прове-дення експериментальних дослiджень та розроблення технологiчного процесу газифжаци деревини в газо-подiбне паливо розроблено газогенератор зi сущль-ним шаром (Lys, Badera, & Gnatyshyn, 2009).

Сучасш вiдомi газогенератори зi суцiльним шаром дають змогу отримувати синтез-газ з теплотворною здатшстю 5,0-7,5 МДж/нм3, вимогливi до якосп палива, що газифшуеться, та складнi в обслуговуваннi. Бу-ло завдання розробити таку конструкцда газогенератора, яка дала б змогу отримувати синтез-газ з большою теплотворною здатнiсть, газифiкувати паливо з биьшою вологiстю та була нескладною в експлуата-ци. На розробленш газогенераторнiй установцi зi су-ц1льним шаром це досягаеться завдяки тому, що камеру газифшацп виконано у виглядi двох зрiзаних кону-сiв, бiльшi основи яких розмiщенi навпроти з невеликим зазором мiж ними, що унеможливлюе зависания палива i його винесення у патрубок у верхнiй частит газогенератора, а пристрш для подачi окислювача-по-вiтря, вiд нагнiтача, виконаний з кожухом, всередиш якого встановлено трубу для вщведення синтез-газу з

Citation APA: Lys, S. (2017). The Analysis of Experimental Research of Gasification Process of Low-Grade Fuel. Scientific Bulletin of UNFU, 27(1), 154-156. Retrieved from http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/187

Назва фактора Позначення фактора Рiвнi змiни фактора 1нтер-вал змь ни фактора

нату-ральне норма-лiзова-не

(-1) (0) (+1)

Розмiри частинок деревини, мм l *1 10 30 50 20

Кшькють повiтря, нм3/год G Х2 40 65 90 25

Вологiсть деревини, % W Хз 10 30 50 20

Кльюсть дослщв, що дублювалися в кожнш сери, n = 6. Даш кожного дослщу статистично обробляли з метою вщшукання грубих помилок, сумнiвнi результати перевiряли за допомогою /-критерго Ст'юдента (Grycak, Kijko, & Kushpit, 2002; Pylypchuk, Grygorjev, Shostak, 2007). Сумн1вний результат yi тимчасово виключали iз вибiрки, а за даними, що залишились, розраховували се-редне арифметичне усер i оцiнку дисперси S2.

Результати дослвдження. На основi експериментальних даних процесу газифшацп сумiшi деревини рiзних порiд встановлено, що в розробленш експери-ментальнiй газогенераторнiй установцi можна газифь кувати деревину вологiстю биьше W = 50 % з висо-

ким значенням нижчо1 теплоти згорання синтез-газу (рис.) (Lys, & Mysak, 2012b). Це пояснюють тим, що гази, яю утворилися пiд час газифiкацГí, повторно проходять через шар розжареного палива в зош вщ-новлення та окислення. Якщо в зонi вщновлення е во-дяна пара, то з високою температурою вщбуваеться реакщя ïï конверсп, тобто

С + Н2О ^ СО + Н2; (1)

СО + Н2О ^ СО2 + Н2.

(2)

У цьому випадку утворюеться другий горючий складник газу - водень. Отже, завдяки значному вмю-ту водню у синтез-газi нижча теплота згорання зали-шаеться досить високою. Якщо волопсть деревини буде надто високою, то яюсть синтез-газу знизиться внаслщок зниження температури в камерi газифшацп, що призведе до зниження не тшьки кiлькостi Н2 у синтез-газ^ але й збiльшення СО2, тому що за низьких температур не буде вщбуватися гетерогенна реакщя вщновлення двоокису вуглецю:

С + СО2 ^ 2СО. (3)

А це, своею чергою, призведе до зниження кшь-косп у синтез-газi ще одного горючого газу - СО.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Волопсть деревини %

- -Кшьк. пов. 40 нм^/год; розм1ри частинок деревини 10 мм -□-Клльк. пов. 40 нмз/год; розм1ри частинок деревини 50 мм -о-Кшьк. пов. 65 нмз/год; розм1ри частинок деревини 30 мм -а-Кшьк. пов. 90 нмз/год; розм1ри частинок деревини 10 мм -■-Кшьк. пов. 90 нмз/год; розм1ри частинок деревини 50 мм -й-Кшьк. пов. 40 нм /год; розм1ри частинок деревини 30 мм -ж-Кшьк. пов. 65 нмз/год; розм1ри частинок деревини 10 мм -•-Кшьк. пов. 65 нмз/год; розм1ри частинок деревини 50 мм -♦-Кшьк. пов. 90 нм /год; розм1ри частинок деревини 30 мм

Рис. Залежшсть нижчо'1 теплоти згорання синтез-газу вщ во-логосл деревини пiд час газифiкацií сум^ деревини рiзних порiд

З експериментальних даних бачимо, що найбiльш оптимальними параметрами процесу газифiкацГi сумь шi деревини, коли нижча теплота згорання синтез-газу досягае максимуму, е:

• кiлькiсть пов1тря, яке подають в камеру газифжаци (65 нм3/год);

• волог1сть сум1ш1 деревини (30 %);

• розм1ри частинок подр1бнено1 сум1ш1 деревини (30 мм).

Унаслщок реалiзащi В3-плану отримано матема-тичний опис об'екта у виглядi полшома другого порядку, який мае такий вигляд:

йсумдер^ 0,8998 + 0,27185 • I + +0,11416 • G + 0,04415 • W - 0,00375 • 12 -

2 2 (4)

-0,000832 • G2 - 0,000675 • W2 - 0,00004 • I ■ G --0,000025 ■ I ■ W + 0,00004 ■ G ■ W.

Виконавши оптимiзацiю рiвняння регресiï (Lys, & Mysak, 2012a; Lys, & Mysak, 2012b; Lys, & Mysak, 2012c) для сумМ деревини, отримаемо значення вхщних параметрiв, за яких нижча теплота згорання ( QH ) досягае максимуму (табл. 2).

Табл. 2. Ращонал1защя (сум1ш деревини)_

Кодоване значення фактор1в

Х1

Х2

Хз

QH

0,287303

0,138703

0,200620

Натуральне значення (факторов_

G

W

35,746 мм

68,467 нм3/год

34,012 %

10,427 МДж/нм3

Максимальна нижча теплотворна здатнiсть синтез-газу за вгдповгдних рацiональних вхгдних параметрiв (розмiри частинок деревини l = 36 мм, кiлькiсть повгт-ря G = 68,5 нм3/год, волопсть сумгшг деревини W = 34 %) становить QpcyM.dep= 10,427 МДж/м3.

Висновки. Встановлено залежностi нижчо!' теплоти згорання синтез-газу вгд кглькостг повiтря, розмiрiв частинок та вологостг подргбнено!' деревини, яку подають в камеру газогенератора.

Унаслгдок реалiзацií В3-плану отримано матема-тичний опис об'екта у виглядi полiнома другого порядку. Виконано рацiоналiзацiю отримано!' залежностг

з метою визначення значень факторiв, що забезпечу-ють максимальне значення функцГ! QcyM.dep. = 10,4 МДж/нм3, а саме розмiри частинок деревини l = 36 мм, кглькгсть повiтря G = 68 нм3/год, вологiсть су-мiшi деревини W = 34 %. З експериментальних даних видно, що експериментальний газогенератор дае змо-гу газифгкувати деревину, як з низькою, так i високою вологгстю (бГльше 50 %); при тому, що для промисло-вих газогенераторiв вплив вологостi на процес газифг-кацп е значним.

Перелiк використаних джерел

Basu Prabir. (2010). Biomass gasification and pyrolysis: practical

design. Academic Press is an imprint of Elsevier, USA, p. 376. Belikov, S. E., & Kotler, V. R. (2004). Nulevye vybrosy v atmosfe-

ru. Teploenergetika, 1, pp. 69-72. [In Russian]. Grycak, S. A. Kijko, O. A., & Kushpit, A. S. (2002). Naukovi dos-lidzhennja v derevoobrobci. Lviv: UkrDLTU, p. 26. [In Ukrainian].

Lys, S. S., & Mysak, J. S. (2012a). Fizyko-himichna model procesu gazyfikacii derevyny. Visnyk inzhenernoi akademii Ukrainy, 2, pp. 301-304. [In Ukrainian]. Lys, S. S., & Mysak, J. S. (2012b). Vplyv vologosti derevyny na proces gazyfikacii derevyny metodom sucilnogo sharu. Shidno-Jevropejskyj zhurnal peredovyh tehnologij, 4/8(58), pp. 4-6. [In Ukrainian].

Lys, S. S., & Mysak, J. S. (2012c). Termichna pererobka derevyny metodom sucilnogo sharu v gazopodibne palyvo. Shidno-Jevro-pejskyj zhurnal peredovyh tehnologij, 3/8(57), pp. 47-49. [In Ukrainian].

Lys, S. S., Badera, J. S., & Gnatyshyn, Ya. M. (2009). Patent Ukrainy na korysnu model № 38952, MKP C10J 3/00. Gazogenerator (Vlasnyk: NLTU Ukrainy); Zajavl. 08.09.2008.; Opubl. 26.01.2009, Bjul. # 2. [In Ukrainian]. Pylypchuk, M. I., Grygorjev, A. S., & Shostak, V. V. (2007). Os-novy naukovyh doslidzhen. Lviv: Vyd-vo "Znannja", p. 234. [In Ukrainian].

l

С. С. Лис

АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ

НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ

Сегодня во многих странах активизировались работы по созданию и совершенствованию технологии термической переработки твердого топлива в газообразное топливо (синтез-газ), которое является удобным для последующего сжигания, как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания двигателей различных типов. Главным преимуществом технологии газификации твердого топлива является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду. Поэтому по результатам теоретических и экспериментальных исследований нужно определить технологические параметры работы газогенераторной установки с определением рациональных параметров процесса: размеров частиц и влажности измельченной древесины, количества воздуха, подаваемого в камеру газификации, и разработать практические рекомендации по термической переработке древесины.

Ключевые слова: газификация твердого топлива, газообразное топливо, синтез-газ.

S. S. Lys

THE ANALYSIS OF EXPERIMENTAL RESEARCH OF GASIFICATION PROCESS OF LOW-GRADE FUEL

There are many ways of recycling wood and its waste into energy. But one of the most perspective is gasification. Therefore, the technology of thermal recycling of wood fuel in gaseous fuel is an urgent problem to be solved. Consequently, our objective is to find the dependence of net calorific value of synthesis gas from the amount of air, humidity and particle size of chopped wood, which is fed into the gasifier. For the experimental research and development process of gasification of wood in gaseous fuel a gasifier with a continuous layer is designed. In the process of of experimental research the author used a mix of wood (willow (Salix alba L.) in the amount of 1/3 of the total weight of the mixture, Pine (Pinus sylvestris) - 1/3 of the total weight of the mixture, birch (Betula pendula Roth.) - 1 / 3 of the total weight of the mixture). From experimental data we have evaluated the most optimal parameters gasification process of mixes wood, when net calorific value of synthesis gas reaches its maximum. We also obtained mathematical description of the object in a second order polynomial. To conclude, completed rationalization derived dependence to determine the values of the factors that ensure the maximum Q = 10.4 MJ / nm3, namely the size of the particles of wood l = 36 mm, the amount of air G = 68 nm3 / h, a mixture of wood humidity W = 34 %. The experimental data show that the experimental gasifier enables gasifying wood, at low and high humidity (50 %); while the gas generators for the industrial impact of humidity on the process of gasification is significant. Therefore, the results of theoretical and experimental researches should determine the technical parameters of the gas generator installation with the definition of rational parameters of the process: particle size and humidity of chopped wood, the amount of air that is fed into the gasification chamber and to develop practical recommendations for thermal recycling of wood.

Keywords: gasification of solid fuels; gaseous fuel; synthesis gas.

1нформащя про автора:

С. С. Лис, канд. техн. наук, ст. викладач, НУ "Львiвська полиехшка", м. Львiв, УкраТна.

E-mail: [email protected]