CC BY
23
----------------------□ □--------------------------
В статті наведені результати дослідження впливу вхідних факторів на нижчу теплоту згорання синтез-газу в процесі газифікації деревини. Визначено оптимальні параметри газогенераторної установки, які дозволяють в процесі газифікації отримувати висококалорійний синтез-газ
Ключові слова: газифікація деревини, газогенератор з суцільним шаром
□----------------------------------------□
В статье приведенные результаты исследования влияния входных факторов на низшую теплоту сгорания синтез-газа в процессе газификации древесины. Определены рациональные параметры газогенераторной установки, которые позволяют в процессе газификации получать высококалорийный синтез-газ
Ключевые слова: газификация древесины, газогенератор со сплошным слоем
□----------------------------------------□
This article presents the results of research of the influence of input factors on a lower heat of combustion of synthesis gas in the process of gasification of wood. The optimal parameters of the gas-producing setting, which allow in the process of gasification to get high-calorific synthesis gas, are defined
Keywords: gasification of wood, gazogene with continuous layer ----------------------□ □--------------------------
УДК 674.8:662.765.1
ТЕРМІЧНА ПЕРЕРОБКА ДЕРЕВИНИ МЕТОДОМ СУЦІЛЬНОГО ШАРУ В ГАЗОПОДІБНЕ ПАЛИВО
С. С. Лис
Асистент
Кафедра автоматизації виробничих процесів, електротехніки і теплотехніки Національний лісотехнічний університет України вул. Генерала Чупринки, 103, м. Львів, Україна,
79057
Контактний тел.: 097-700-82-95 E-mail: lysss@mail.ua
Й . С. М и с а к
Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри Кафедра теплотехніки і теплових електричних станцій Національний університет "Львівська політехніка” вул. С.Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013 Контактний тел.: (032) 258-25-15, 096-436-80-63 E-mail: kravetst@ukr.net
1. Постановка проблеми
Одним з найпотужніших альтернативних відновлюваних джерел енергії є біомаса, зокрема деревне паливо. Суттєвою перевагою деревного палива є його екологічна чистота: деревина не містить сірки, хлору та інших шкідливих для атмосфери елементів. Під час згорання деревина виділяє таку саму кількість СО2, яку спожила в процесі зростання, а отже вона є СО2 нейтральним паливом [2].
На сьогодні відомо чимало способів перероблення деревини та відходів з неї в енергію, але одним з найперспективніших є газифікація, тому що синтез-газ, який утворюється в процесі газифікації деревини можна використовувати як паливо котлів комунальних котелень, або зріджувати, перетворюючи його в рідке паливо, після охолодження і очистки як паливо для газотурбінних установок та двигуна внутрішнього згорання з отриманням механічної або електричної енергії при використанні когенераційної установки. Сьогодні в світі має місце тенденція децентралізації енергетики, тобто використання когенераційних установок для вироблення тепла та електроенергії [5]. Тому газифікація деревини з метою вироблення синтез-газу є перспективною.
2. Аналіз останніх досліджень і публікацій
Як відомо, досвід використання газогенераторів нараховує близько 150 років, та незважаючи на це існує багато як технічних так і технологічних проблем (стабільність та ефективність роботи газогенераторів, специфічні особливості різних видів палива, тощо) [2- 4, 6]. Тому основним завданням експериментальних досліджень є визначення закономірностей впливу вхідних факторів роботи газогенератора на якість синтез-газу та визначення раціональних параметрів його роботи.
3. Мета статті
Завдання полягало у знаходженні залежності нижчої теплоти згорання синтез-газу від розмірів частинок деревини, яка подається в газогенератор; кількості повітря та кількості палива від загального об’єму реактора під час газифікації досліджуваних порід деревини; розмірів частинок суміші деревини, кількості повітря.
Е
4. Виклад основного матеріалу
Для проведення експериментальних досліджень та розробки технологічного процесу термічного перероблення деревної маси в газоподібне паливо (синтез-газ) розроблено газогенератор з суцільним шаром [3], на який отримано патент [1], і який суттєво відрізняється від відомих конструкцій газогенераторів.
Для проведення експериментальних досліджень використовувалися такі матеріали: верба (Salix alba L.); сосна (Pinus sylvestris); береза (Betula pendula Roth.).
Змінні вхідні Xj фактори експериментальних досліджень процесу газифікації деревини:
• розміри частинок деревини l: 10, 20, 30, 40, 50 мм;
• кількість повітря, яка подається в газогенератор G : 40, 65, 90 нм3/год.;
• кількість деревини в газогенераторі від загального об’єму q : 50, 75, 100 %;
Вихідний параметр y :
• нижча теплота згорання синтез-газу Q , МДж/м3.
З метою встановлення характеру впливу змінних
факторів на нижчу теплоту згорання синтез-газу застосовано трирівневий В-план (В3). Рівні та інтервали змінювання факторів наведено в табл. 1.
Рівні та інтервали змінювання факторів
Розміри частинок деревини (сосна) I, мм
-Кіл. пов. 40нм3/год., кіл. пал. 50% -Кіл. пов. 40нм3/год., кіл. пал. 100% -Кіл. пов. 65нм3/год., кіл. пал. 75% -Кіл. пов. 90нм3/год., кіл. пал. 50% -Кіл. пов. 90нм3/год., кіл. пал.100%
— Кіл. пов. 40нм3/год., кіл. пал. 75% -Кіл. пов. 65нм3/год., кіл. пал. 50% -Кіл. пов. 65нм3/год., кіл. пал. 100% -Кіл. пов. 90нм3/год., кіл. пал. 75%
Рис.1. Залежність теплоти згорання синтез-газу від розмірів частинок подрібненої соснової деревини
У результаті реалізації В-плану отримано математичний опис об’єкта у вигляді поліному другого порядку для досліджуваних порід деревини, а саме:
• сосна (Ріпш sylvestris):
Таблиця 1
Назва фактора Позначення фактора Рівні змінювання фактора Інтервал змінювання фактора
натура- льне норма- лізоване (-1) (0) (+1)
Розміри частинок деревини, мм l Xl 10 30 50 20
Кількість повітря, нм3/год. G X2 40 65 90 25
Кількість палива в реакторі газогенератора, % q X3 50 75 100 25
(1)
Q =-1,5562 + 0,2726 ■ l + 0.11256 ■ G +
сосна
+0.06772 ■ q - 0.00375 ■ l2 - 0.000832 ■ G2 --0.000432 ■ q2 - 0.00004 ■ l ■ G - 0.00002 ■ l x xq+0.000032 ■ G ■ q;
• береза (Betula pendula Roth.):
Q, p =-1.1256+0.2721-1 + 0.10928■ G +
береза
+0.06428 ■ q-0.00375 ■ l2 -0.000816■G2 - (2) -0.000416 ■ q2 - 0.00004 ■ 1 ■ G - 0.00002 ■ 1 x xq+0.000048 ■ G ■ q;
Встановлено, що найбільше значення нижча теплота згорання синтез-газу досягає під час газифікації деревини з розміром частинок 30 мм (рис.1), кількості повітря 65 нм3/год, яке подається в камеру газифікації та кількості палива 75 % від загального об’єму реактора деревини (рис.2,а.).
Збільшення кількості повітря, яке подавалося в камеру газифікації до 90нм3/год дає максимальну температури на колоснику t = 1235° С , при кількості палива 75%, від загального обєму реактора (рис.2,б). При цьому нижча теплота згорання синтез-газу падає за рахунок того, що частина палива згорає, а синтез-газ на виході з газогенератора має більшу температуру. Тому, регулювання подачі кількості повітря дуже важливий фактор, адже процес газифікації палива протікає за умови, коли коефіцієнт надлишку повітря а 1, а процес горіння - а >■ 1.
Аналогічні результати отримано для деревини породи верба і береза. Графіки залежностей мають такий самий вигляд, як і для деревини породи сосни, при незначній зміні теплоти згорання синтез-газу
• верба (Salix alba L.):
QBep& = -1.279 + 0.2712 ■ l + 0.1116 ■ G +
+0.05796 ■ q - 0.00375 ■ l2 - 0.0008 ■ G2 -
(3)
-0.000368 ■ q2 - 0.00008 ■ l ■ G + 0.00002 x x l ■ q + 0.000016 ■ G ■ q.
Виконавши раціоналізацію процесу перероблення деревини в газоподібне паливо для досліджуваних порід деревини, отримали значення вхідних параметрів при яких нижча теплота згорання (Q) досягає максимуму:
- сосна: 1=36мм, G=68.4нм3/год, q=80%, Ц=9.9МДж/м3;
- береза: 1=36мм, G=68.5нм3/год, q=80%, Ц=10МДж/м3;
- верба: 1=36мм, G=68.6нм3/год, q=81%, Ц=9.7МДж/м3.
Потрібно відзначити, що процес газифікації деревини протікає практично однаково для досліджуваних порід деревини. Вплив породи деревини на теплоту згорання синтез-газу під час газифікації є незначним і коливається в межах 0,6 МДж/м3 (рис.3). Отже, немає доцільності газифікувати деревину певної породи окремо.
Э
Висновки
2
к -а
ї з & = {2 о ! ї
10,00
9.50
9.00
8.50
8.00
7.50 7,00
50
Кількість палива, %
90
65
40 Кількість повітря, нм3/год
Кількість палива, %
90 65
40 Кількість повітря, нм3/год.
Рис. 2. Гістограма залежності теплоти згорання синтез-газу (а) та температури на колоснику (б) від кількості повітря та кількості палива під час газифікації соснової деревини з розміром частинок 30 мм
к
X
X
(б
а
2
«
(б
н
о
ц
с
ф
н
*
5
І
Розміри частинок деревини І, мм
— Сосна -О- Береза Верба
Рис. 3. Залежність теплоти згорання синтез-газу, визначеної за рівнянням регресії, від розмірів частинок деревини із заданими значеннями кількості повітря: ^=69нм3/год) та кількості деревини в реакторі газогенератора ^=80%) для досліджуваних порід деревини
В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень отримано такі висновки:
• визначено вплив розмірів частинок подрібненої деревини, кількості повітря та кількості палива, що подається в камеру газифікації, на теплоту згорання синтез-газу, для досліджуваних порід деревини. У результаті реалізації Вз-плану отримано математичний опис об’єкту у вигляді поліному другого порядку для кожної з пор ід деревини. Виконавши раціоналізацію отриманих результатів для досліджуваних порід деревини, отримано значення вхідних параметрів за яких теплота згорання досягає максимуму ^осна=9,9МДж/м3, Цбереза=10МДж/м3, Цверба=9,7МДж/м3. Середнє значення раціональних вхідних параметрів: 1=36мм, G=69нм3/год, q=80%.
• експериментально доведено, що процес газифікації деревини протікає практично однаково для досліджуваних порід деревини. Вплив породи деревини на нижчу теплоту згорання синтез-газу незначний. Отже, немає доцільності газифікувати деревину певної породи окремо від інших порід.
Література
1. Патент України №38952, МКП СЩ 3/00. Газогенератор. / Лис С.С., Бадера Й.С., Гнатишин Я.М.; Власник: НЛТУ України; Заявл. 08.09.2008.; Опубл. 26.01.2009, Бюл. №2.
2. Лис С.С. Огляд технології газифікації деревини. / С.С. Лис // Науковий вісник НЛТУ України : зб. наук.-техн. праць. - Львів : РВВ НЛТУ України, 2009. - Вип. 19.12. - С. 101-105.
3. Мисак Й.С. Паливні пристрої для спалювання низькосортних палив / Й.С. Мисак, Я.М. Гнатишин, Я.Ф. Івасик - Львів : Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2002. - С. 136.
4. Грачев А.Н. Дрова - пиролиз - газ / А.Н. Грачев // Оборуд. и инструмент для профессионалов. Деревообработка, 2006. - № 6. - С. 80 - 81.
5. Гелетуха Г.Г. Обзор технологий генерирования электроэнергии, полученной из биомассы при ее газификации / Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная - “Экотехнологии и ресурсосбережение”, №3, 1998, - С. 3-11.
6. Железная Т.А. Обзор современных технологий газификации биомассы / Т.А. Железная, Г.Г. Гелетуха - “Промышленная теплотехника”, №2, 2006. - С. 61-74.
100
!“
