Научная статья на тему 'Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в установке для производства древесного угля'

Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в установке для производства древесного угля Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
259
120
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПИРОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА / ПИРОЛИЗ / ДРЕВЕСИНА / ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ / БИОМАССА / БИОЭНЕРГЕТИКА / ОПТИМИЗАЦИЯ / РЕТОРТА / ПИРОГАЗЫ / ЖИЖКА / ТЕПЛОВАЯ ТРУБА / ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / PYROGENETIC PROCESSING / PYROLYSIS / WOOD / CHARCOAL / BIOMASS / BIOENERGY / OPTIMIZATION / RETORT / PYROGAS / ZIZKA / HEAT PIPE / ENERGY / MATHEMATICAL MODEL

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Тимербаев Н. Ф., Сафин Р. Г., Садртдинов А. Р., Хуснуллин И. И.

Дано математическое описание кондуктивного теплообмена дисперсного материала в установке для производства древесного угля, разработанной на кафедре «Переработки древесных материалов».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Gives a mathematical description of heat conduction in the dispersed material in the installation for production of charcoal developed at the department "The processing of wood materials."

Текст научной работы на тему «Кондуктивный теплообмен дисперсного материала в установке для производства древесного угля»

УДК 66.092-977

Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Садртдинов,

И. И. Хуснуллин

КОНДУКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА

В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Ключевые слова: пирогенетическая переработка, пиролиз, древесина, древесный уголь, биомасса, биоэнергетика, оптимизация, реторта, пирогазы, жижка, тепловая труба, энергоносители, математическая модель.

Дано математическое описание кондуктивного теплообмена дисперсного материала в установке для производства древесного угля, разработанной на кафедре «Переработки древесных материалов».

Keywords: pyrogenetic processing, pyrolysis, wood, charcoal, biomass, bioenergy, optimization, retort, pyrogas, zizka,

heat pipe, energy, mathematical model.

Gives a mathematical description of heat conduction in the dispersed material in the installation for production of charcoal developed at the department "The processing of wood materials. "

В последние годы во всем мире энергетическое использование древесной биомассы, в частности древесных отходов, рассматривается как желанная альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что древесные отходы имеют низкое содержание серы, относятся к возобновляемым источникам энергии. Все это привело к тому, что технологии получения энергии из древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются. Одной из основных технологий является пиролиз.

Пиролиз представляет собой процесс, при котором древесные отходы влажностью менее 20%, включая опилки, кору и т.д., нагреваются до температуры 450 - 500 °С при отсутствии воздуха. Продуктами пиролиза являются древесный уголь, неконденсирующиеся горючие газы и конденсирующиеся пары [1, 2].

На кафедре «Переработки древесных материалов» тема пиролиза древесины изучается с 2005 года. Проведены исследования по темам: термическая переработка отходов деревообрабатывающих предприятий, математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды [3], утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза [4], термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла, быстрый пиролиз древесины в абляционном режиме [5].

В настоящее время на кафедре разработана установка для производства древесного угля, позволяющая получить древесный уголь и жидкие продукты пиролиза. Установка выполнена в виде непрерывно действующей вертикальной реторты (см. рис.1) [6].

С целью повышения эффективности получения древесного угля зона пиролиза 1 и зона охлаждения 2 вертикальной реторты 3 сообщены между собой тепловой трубой 4. Технологическое сырье 5, прогретое в зоне сушки 6 до 200 °С, через барабанный питатель 7 поступает в зону пиролиза 1, где температура сырья 5 возрастает до 350 °С за счет тепловой трубы 4, а затем до 500 °С за счет тепла, выделяющегося в процессе экзотермических реакций. В зоне пиролиза 1 происходит выделение пирогазов и образование угля. Образовавшиеся пирогазы отводятся через патрубок 8, а уголь через барабанный питатель 9 поступает в зону охлаждения 2 и охлаждается за счет отдачи тепловой энергии углем тепловой трубе 4, которая в свою очередь дополнительно нагревает технологическое сырье 5 в зоне пиролиза 1.

Тепловая труба 4 (см. рис.2) представляет собой две системы, выполненные из соосно расположенных трубных тепловых рубашек 10, 11, сообщающихся между собой трубами 12. Верхняя система (из трубных тепловых рубашек 10) находится в верхней части зоны пиролиза 1, а нижняя (из тепловых рубашек 11) - в верхней части зоны охлаждения 2. Полость нижней

системы на четверть заполнена теплоносителем. В качестве теплоносителя используется полиэтиленгликоль, имеющий низкое парциальное давление паров.

Рис. 1 - Схема вертикальной реторты Рис. 2 - Тепловая труба

Древесная масса 5, проходя между трубными тепловыми рубашками 10 в зоне пиролиза

1, нагревается за счет конденсации паров теплоносителя. Конденсат стекает в нижнюю систему, расположенную в зоне охлаждения 2 и вновь испаряется, охлаждая уголь, проходящий между трубными тепловыми рубашками 11 в зоне охлаждения 2.

Математическое описание кондуктивного теплообмена дисперсного материала в вертикальной реторте 3 можно записать дифференциальными уравнениями (для верхней и нижней системы), описывающими изменение температуры дисперсного материала по высоте слоя. Физическая картина процесса изменения температуры материала представлена на рис. 3.

Рассмотрим верхнюю систему. Изменение температуры дисперсного материала по слоям в верхней системе можно определить из дифференциального уравнения теплового баланса записанного в следующем виде [1]:

^ 1

1сл.1

ЗТсл.1

1 дТсл.1 | Ч 1 01 +

С сл.1 Дл.^

(1)

где Ссл1 и рсл1 - теплоемкость и плотность слоя материала соответственно; ЛЭф.-| -эффективный коэффициент теплопроводности; Чсл.1 - приток тепла определяемый прогревом материала и химическими реакциями при пиролизе. Теплоемкость слоя Ссл1 и коэффициент теплопроводности слоя Лэф1 определяются экспериментальным путем.

Чсл.1 = Ч + Чх.р., (2)

где Чп. - приток тепла на прогрев материала; Чхр. - приток тепла за счет химических реакций.

Рис. 3 - Схема изменения температуры дисперсного материала

Начальные условия для дифференциального уравнения (1) запишутся в виде:

Тсл.1(^1>0 = Тсл.1 н Тсл.1(^2>0 = Тсл.1 к

Граничное условие для уравнения (1) при допущении, что толщина стенок тепловой трубы бесконечно мала, запишется в следующем виде:

(3)

дТ

сл.1

эф.1

д|

акон. (т„„- Тл)

|=а/2

Значение коэффициента теплоотдачи при конденсации акон. критерий Нуссельта [1]:

Ыи ■

а = —

^кон. |

ч

(4)

определяется через

“эф.1

(5)

где Ц - высота трубной рубашки верхней системы, (м).

Поскольку в качестве сырья для пиролиза используются древесные частицы в виде технологической щепы, делаем допущение, условно заменив полидисперсную систему древесных частиц эквивалентной монодисперсной системой. Следовательно, можно упростить задачу и записать уравнения теплообмена для бесконечной пластины. В результате этого изменение температуры частицы в верхней системе можно определить из дифференциального уравнения теплового баланса записанного в следующем виде [1]:

дТм

дИ

д

дх

дТ

1 и 1 м

Ал "ГГ" дх

х.р.

1

С мР W

Начальные условия дифференциального уравнения (6) запишутся в виде:

Тм.(^1-Х) = Тм.н

Тм.(^2-Х) = Тм.к

Граничное условие для уравнения (6) запишется в следующем виде:

(6)

Тм|х=х Тсл, (8)

Коэффициент теплопроводности материала Ам в любой момент времени

рассчитывается как взвешенная сумма теплопроводностей натуральной древесины, угля и летучих газов [7]:

\ = (1 - П Ддр. + П + £ п(Ир. (9)

Таким же образом рассчитывается плотность материала:

Р = (1 - пРр. + П + £Рр., (10)

где П - степень пиролиза (П=1-(Рдр.+Рпр.в.)/Рдр.) [8], £ - пористость (£=1-(Ртв/Рдр.)*(1-£др.)).

Здесь, ртв. и рДр. - средняя плотность твердой фракции и плотность натуральной древесины,

£Др. - начальная пористость древесины (£Др. = 0,4) [9].

Теплоемкость материала определяется из следующего выражения [9]:

cдр. рр. + c др. рр.в. + cуг. Рг. + £р см. /~См. + £р г р (11)

См =

Рм

Удельная теплоемкость С твердых компонентов и удельная изобарная теплоемкость Ср для газообразных компонентов являются функциями температуры, (Дж/кг-К) [9]:

c др. = 1500 +1,01

c

c

уг.

p см.

420 + 2,09Т + 6,85 х 10-4Т2 = -100 + 4,4Т-1,57 х 10-3 Т

(12)

cp г = 770 + 0,629Т-1,91 х 10-4 Т 2

Коэффициенты теплопроводности древесины, угля и пирогазов соответственно: Адр.=

0,1046 (Вт/м-К); Ауг. = 0,071 (Вт/м-К); АпИр. = 0,0258 (Вт/м-К) [9].

Допускается, что объемная усадка не происходит. Таким образом, плотности древесины, промежуточного вещества и угля определяются из уравнения Pi=mi/V.

Согласно схеме протекания химических реакций, представленной на рис.4, древесина разлагается на газы, смолу и промежуточное вещество, в свою очередь промежуточное вещество и смола полностью разлагаются на уголь и газы.

Теплоту химических реакций можно вычислить по формуле [9]:

qх.р. = -(к см^см. + k г АИг + k пр.в.АЬпр.в.)Р,р.

(13)

- k уг. ЛИ уг. РПр.в. - (k уг.2 уг.2 + k г 2 ^МАм. ’

где ЛИ - удельная теплота химических реакций, (Дж/кг); к - константа скорости реакции, (с- ), определяемая из уравнения Аррениуса [1]:

к, = Л, ехр

РТ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(14)

Кинетические параметры представленной модели приведены в табл.1.

Таблица 1 - Кинетические параметры и удельная теплота термического разложения [9]

Реакции см. г пр.в. уг. уг.2 г2

Л (с-1) Б| (Дж/моль) ЛИ, (кДж/кг) 1,08х1010 148000 80 4,38х109 152700 80 3,75х106 111700 80 1,38х1010 161000 -300 1,0х105 108000 -42 4,28х106 108000 -42

Рассмотрим нижнюю систему. Изменение температуры дисперсного материала по слоям в нижней системе охлаждения можно определить из дифференциального уравнения теплового баланса записанного в следующем виде [1]:

ЭТ

сл.2

ЭИ

I ЭТсл2 4ф2 Э1

+ Чс

1

Ссл.2 Рл.2Ш

(15)

где Ссл2 и рсл2 - теплоемкость и плотность слоя материала соответственно; Лэф.2 -эффективный коэффициент теплопроводности; Яст. - сток тепла определяемый охлаждением материала. Теплоемкость слоя Ссл2 и коэффициент теплопроводности слоя Лэф.2 определяются экспериментальным путем.

Начальные условия для уравнения (15) запишутся в виде:

Т

Т

'сл.2(И3’!) 'сл.2 н

Тсл.2(И4>!) = Тсл.2 к

Граничное условие для уравнения (15) имеет вид:

ЭТ

сл.2

эф.2

Э1

аисп. (Туг. Тпэг.)

(16)

(17)

!=а/2

Значение коэффициента теплоотдачи при испарении аисп. также определяется через критерий Нуссельта [1]:

Ыи ■ X

а =

^исп.

эф.2

ь

(18)

где Ь2 - высота трубной рубашки нижней системы, (м).

С учетом допущений, принятых для верхней системы, дифференциальное уравнение теплопроводности для частицы в нижней системе запишется в виде:

ЭТ,

уг.

ЭИ

Э

Эх

, ЭТУГ.

^"ЭХ"

1

С

уг

Рг

Начальные условия для дифференциального уравнения (19) запишутся в виде:

Туг.(ИЭ,х) = Туг.н ТуГ.(И4, X) = Туг.к

Граничное условие для уравнения (19) запишется в следующем виде:

Т

уг.

х=Х

= Т

сл.2

(19)

(20)

Критерий Нуссельта для выражений (5) и (18) определяется из уравнения [10]:

Nu = C(Gr • Pr )nK, (22)

Константы C, n, K для случая с двумя вертикальными параллельными пластинами с одинаковой температурой: С=0,04; n=1; K=(b/H)3, где b - расстояние между двумя стенками, м; H - высота стенки, м.

Критерий Грасгофа и Прандтля определяются по следующим формулам [10]:

држр Ж AtX3

Gr = « КжКж---------------------------------------, (23)

г-),, ^жСр ж

= , (24)

где вж = 1/Тж (Тж - абсолютная температура смешения жидкости, К), At - разность температур стенки и жидкости (At = tCT — t^).

В итоге, решив дифференциальные уравнения теплообмена можно определить площадь тепловых рубашек, высоту верхней и нижней системы, необходимую для прогрева дисперсного материала до определенной температуры в межкольцевом пространстве. Условные обозначения:

Т - температура, К; h - высота системы, м; l - координата слоя, м; x - координата частицы, м; Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); q - теплота, Дж; с - теплоемкость, Дж/(кг-К); ср -изобарная теплоемкость, Дж/(кг-К);р - плотность, кг/м3; w - скорость, м/с; П - степень пиролиза; £ -пористость; m - масса, кг; V - объем м3; k - константа скорости реакции, с-1; A -предэкспоненциальная константа, с-1; E - энергия активации, Дж/(моль-К); R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль-К); Ah - удельная теплота химических реакций, Дж/кг; d - диаметр, м; а -коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К), Nu - критерий Нуссельта; L1 - высота трубной рубашки верхней системы, м; L2 - высота трубной рубашки нижней системы, м; C - константа; n - индекс; K -безразмерная корректирующая функция; b - расстояние между двумя стенками, м; L - высота стенки, м; Gr - критерий Грасгофа; Pr - критерий Прандтля; b - расстояние между двумя стенками, м; g -ускорение свободного падения (9,81 м/с2); в - температурный коэффициент объемного расширения, К-1; Х - характерный размер системы, м; H - высота стенки, м; |J - динамическая вязкость, Н/м2с.

Подстрочные знаки:

сл. - слой; м - материал; др. - древесина; уг. - уголь; пр.в. - промежуточное вещество; тв. -твердая фракция; г - газы; см. - смола; пир. - пирогазы; ПЭГ - полиэтиленгликоль; кон. - конденсация; исп. - испарение; ж - жидкость; i - компонент (вещество); 1 - верхняя система; 2 - нижняя система; эф. - эффективный, п - приток; ст. - сток; х.р. -химические реакции.

Литература

1. Сафин, Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: учебное пособие. - 2-е изд., испр. и доп. / Р.Г. Сафин. - М.: МГУЛ, 2002. - 688 с.

2. Гордон, Л.В. Технология и оборудование лесохимических производств: учебное пособие. - 5-е изд., перераб. / Л.В. Гордон, С.О. Скворцов, В.И. Лисов. - М.: Лесная промышленность, 1988. - 360 с.

3. Сафин, Р. Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, И.А. Валеев // Вестник МГУЛ. - 2005. - №2. - С. 168-174.

4. Исхаков, Т.Д. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза / Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Р.Г. Сафин // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2008. - № 11-12. - С. 16-20.

5. Грачев, А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. -Специальный выпуск - С. 25-29.

6. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. -Т.14, №3. - С. 169-173.

7. Blasi, C.D. Heat momentum, Heat, momentum, and mass transport through a shrinking biomass particle exposed to thermal radiation / C.D. Blasi // Chemical Engineering Science. - 1996. - №7 (51). - С. 11211132.

8. Galgano, A. Modeling wood degradation by the unreacted-core-shrinking approximation / A. Galgano, C.D. Blasi // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2003. - №10 (42). - С. 2101-2111.

9. Park, W.C. Experimental and theoretical investigation of heat and mass transfer processes during wood pyrolysis / Won Chan Park, Arvind Atreya, Howard R. Baum // Combustion and Flame. - 2010. - №157. -С.481-494.

10. Уонг, Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: пер. с англ., Справочник / Х. Уонг. - М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; А. Р. Садртдинов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected]; И. И. Хуснуллин - асп. той же кафедры, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.