CC BY
21
УДК 66-97
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ЗОНЕ РЕАКТОРА ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
К.Х. ГИЛЬФАНОВ*, Н.Ф. ТИМЕРБАЕВ**, З.Г. САТТАРОВА**, М.В. ХУЗЕЕВ**
*Казанский государственный энергетический университет **Казанский национальный исследовательский технологический университет
Проведен анализ современного состояния рынка топливной промышленности. Проведена серия экспериментов для исследования влияния различных параметров на процессы, протекающие в восстановительной зоне.
Ключевые слова: газификация, восстановительная зона, древесные отходы, окись углерода, диоксид углерода, водород, пары воды.
Рост цен на нефтяные топлива и природный газ, а также периодически возникающие энергетические кризисы способствовали проведению многочисленных исследований по поиску новых источников энергии.
Одним из таких источников является биомасса, из которой может быть получено жидкое и газообразное топливо. Основную долю биомассы, используемой в качестве топлива, составляет древесина. Существенным достоинством древесины как топлива является низкое содержание серы и других вредных примесей-следовательно дымовые газы при сжигании древесины не требуют дополнительной очистки. Кроме того, характерной положительной особенностью древесного сырья является его воспроизводимость. При грамотном и рациональном подходе к использованию и восстановлению лесов мы не только получаем практически неисчерпаемый энергетический ресурс, но и имеем возможность увеличить количество потребляемой древесины по сравнению с нынешним уровнем.
Все это привело к тому, что сегодня биомасса - четвертое по значению топливо в мире, обеспечивающее примерно 14 % общемирового производства энергии, причем это самый динамично развивающийся сектор энергетики стран ЕС, США и Канады.
К биотопливу так же относятся и древесные отходы, образуемые при лесозаготовках и деревообработке, объем которых значителен. Так, например, полезное использование древесины на лесопильных производствах составляет около 60 %, в целлюлозно-бумажном не более 50 %.
Одним из наиболее перспективных термических методов переработки древесных отходов является газификация [1]. Среди газификаторов слоевого типа выделяют прямоточные и противоточные газификаторы. В процессе прямоточной газификации можно выделить четыре зоны: зону сушки, пиролиза, горения и восстановления [2].
В восстановительной зоне образуется основное количество горючих компонентов синтез-газа. Большая часть химических реакций, протекающих в восстановительной зоне, являются эндотеримческими, вследствие чего эта зона является основным потребителем энергии в газификаторе [3,4].
Авторами разработана и создана экспериментальная установка для исследования гетерогенных химических реакций, протекающих в восстановительной зоне процесса газификации [5]. Данная установка моделирует восстановительную зону прямоточного газификатора. Установка включает реактор, в который загружается древесный уголь. Через слой угля высотой 400мм продуваются предварительно разогретые до
© КХ. Гильфанов, Н. Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, М.В. Хузеев Проблемы энергетики, 2012, № 5-6
температуры 900 С пары воды либо диоксида углерода (СО2). При этом ведется отбор проб по всей высоте слоя с шагом в 50мм. Таким образом, моделируется процесс гетерогенного восстановления диоксида углерода до окиси углерода (СО), либо процесс паровой конверсии углерода.
Была проведена серия экспериментов для исследования влияния скорости фильтрации и диаметра частиц на состав получаемого синтез-газа.
Первая серия экспериментов была направлена на определение влияния скорости фильтрации на концентрацию газов СО, СО2 по высоте реактора при среднем диаметре частиц 3 мм (Рис. 1, 2). Продувочным газом в данной серии экспериментов является СО2.
С „
%
СО2' % 70 60 50 40 30 20 10 0
1 м/с 3 м/с 6 м/с 8 м/с
-1 м/с - 3 м/с 8 м/с "6 м/с
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Н, мм
Рис.1. Изменение концентрации СО по высоте слоя в реакторе при крупности угля (1экв = 3 мм и различных скоростях дутья: I - 1; II - 3; III - 6; IV- 8 м/сек
Из рис. 1 видно, что скорость фильтрации влияет на интенсивность восстановления диоксида углерода. Данное явление объясняется с тем, что с возрастанием скорости фильтрации уменьшается пограничный ламинарный слой вокруг частиц углерода, что приводит к увеличению концентрации реагирующих компонентов на поверхности частиц. Однако при увеличении скорости дутья более 6 м/с наблюдается спад образования окиси углерода. Это объясняется тем, что при таких скоростях углерод не успевает прореагировать с фильтрационным газом и происходит проскок непрореагировавшего СО2.
На рис. 2 показано изменение концентрации СО2 по высоте слоя в реакторе.
СсО2.%
100 80 60 40 20 0
0
1 00
200
300
400
500
1 м/с 3 м/с 6 м/с 8м/с 1 м/с 3 м/с 6 м/с 8 м/с
Н, мм
Рис.2 Изменение концентрации С02 по высоте слоя в реакторе при крупности угля d3KB = 3 мм и различных скоростях дутья: I - 1; II - 3; III - 6; IV- 8 м/сек
Вторая серия экспериментов была направлена на определение влияния размера частиц на концентрацию газов СО, СО2 по высоты реактора при скорости фильтрации 6 м/сек (рис. 3). Продувочным газом в данной серии экспериментов является СО2.
СсО СО' го%
ж
8(0-
60
40-
20
--..^„/--т-—---—
— ■ --------I
* dэкв=5мм СО dэкв=5мм СО2
4 dэкв=10мм СО х dэкв=10мм СО2 ж dэкв=15мм СО
• dэкв=15мм СО2 dэкв=5мм СО dэкв=10мм СО dэкв=15мм СО
_ " ^экв=5мм СО2
dэкв=10 мм СО2 ■"" ^экв=15мм СО2
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Н, мм
Рис. 3. Изменение концентрации СО, СО2 по высоте слоя в реакторе при скорости и=6 м/сек и различных размерах частиц угля: I - (!экв = 3, II - = 10, III - (!экв = 20 мм
Из рис.3 видно, что увеличение размера частиц угля приводит к уменьшению концентрации окиси углерода по высоте реактора. Данное явление объясняется тем, что чем меньше размер частицы, тем больше плотность слоя и, как следствие, больше реакционная поверхность. С увеличением размера частиц, концентрация непрореагировавшего СО2 возрастает.
Третья серия экспериментов была направлена на определение влияния размера частиц на концентрацию газов СО, Н2 , СО2 по высоте реактора при паровой конверсии древесного угля (рис. 4). Скорость фильтрации 6 м/сек. Фильтрационным агентом являются пары воды.
С,% 100Г
80
60
40
20
СО
Н2
СО2
Н2О
СО
Н2
-СО2 Н2О
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Н, мм
а) dэкв = 3мм
0
С,% 100|
80
60
С, % 100т
« со
■ Н2 А С02 х Н20
-со
--Н2
-С02
- - ■Н20
50 100 150 200 250 300 350 400 450 Н, мм б) ¿ЗЮ5 = 10 мм
80 60 40 20 0
0
-20
♦ со
■ Н2
Л С02
X Н20
С0 Н2
--
С02 Н20
...,
50
100 150 200 250 300 350 400 450
Н, мм
в) ^экв = 20 мм
Рис.4. Изменение концентрации СО, Н2 , СО2 , Н2О по высоте слоя в реакторе при скорости и=6 м/сек и различных размерах частиц угля
Паровая конверсия происходит по следующим реакциям:
С + Н2О = СО +Н2 — 28380 ккал/кмоль 1
2Н2О + С = СО2 + 2Н2 — 17970 ккал/кмоль 2
Данные реакции протекают с поглощением тепла.
Из рис. 4 (а, б, в) видно, что увеличение диаметра частиц приводит к уменьшению концентрации СО и Н2 по высоте реактора, что объясняется уменьшением реакционной поверхности слоя. Концентрация паров воды в слое при этом обратно пропорционально возрастает с уменьшением концентраций СО, Н2.
Таким образом, в данной работе рассмотрены гетерогенные химические процессы, протекающие в восстановительной зоне. Проведены исследования влияния скорости фильтрации и диаметра частиц на состав получаемого синтез-газа. Определены значения скорости фильтрации и размера частиц, при которых возможно получение синтез-газа оптимального состава.
0
Исследования по данной работе выполнено в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013» по теме «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Summary
The analysis of a current state of the market of fuel industry is carried out. A series of experiments for research of influence of various parameters on the processes proceeding in a regenerative zone is conducted.
Keywords: gasification, a regenerative zone, a wood waste, a carbon oxide, a carbon dioxide, hydrogen, water steams.
Литература
1. Тимербаев Н.Ф. Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива / Н.Ф. Тимербаев, Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев // Материалы научно-практической конференции «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов». Казань, 2006. С. 118-119.
2. Рамбуш Н.Э. Газогенераторы / Н.Э. Рамбуш: перевод с англ. М.: ГОНТИ, Редкая энергетическая литература, 1939. 329 с.
3. Козлов В.Н. Технология пирогенетической переработки древесины / В.Н. Козлов, А.А. Нимвицкий // М.: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1954. 620 с.
4. Лямин В.А. Газификация древесины / В.А. Лямин // М.: Лесная промышленность, 1967.
263 с.
5. Тимербаев Н.Ф. Исследование восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Д.А. Ахметова, З.Г. Саттарова // Вестник казан. технол. ун-та. -2011. №8. С. 90-96.
Поступила в редакцию 02 декабря 2011 г.
Гильфанов Камиль Хабибович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-62.
Тимербаев Наиль Фарилович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Переработка древесных материалов», факультета энергомашиностроения и технологического оборудования Казанского национального исследовательского технологического университета. Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: tnail@rambler.ru.
Саттарова Зульфия Гаптелахатовна - магистрант кафедры «Переработка древесных материалов» факультета энергомашиностроения и технологического оборудования, Казанского национального исследовательского технологического университета. Тел.: 8 (843) 231-41-57. E-mail: sattarova@list.ru.
Хузеев Марсель Валиевич - д-р техн. наук, профессор Казанского национального исследовательского технологического университета. Тел: 8 (843) 231-11-06.
