Моделирование процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Технические науки

УДК 662.761.1:762

Иванов Сергей Анатольевич Sergei Ivanov

Алешина Алена Сергеевна Alena Meshi^

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ В ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

SIMULATION OF GASIFICATION PROCESS OF PLANT BIOMASS IN GAS GENERATORS OF FLUIDIZED BED

Представлены разработанные модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя. Стехиометрическая модель основана на расчете констант равновесия химических реакций; нестехиометрическая модель — на нахождении такого количественного равновесного состава генераторного газа, который отвечает минимуму его свободной энергии Гиббса; третья модель основана на соотношении СО/СО2 в генераторном газе и балансах массы элементов. Представлен анализ достоверности разработанных моделей. Приведено сравнение зависимостей состава газа и его теплоты сгорания от коэффициента избытка воздуха, полученных при исследовании процесса воздушной газификации древесной биомассы на лабораторном стенде, с результатами расчетов по разработанной стехиометрической модели. Сравнивается состав генераторного газа при газификации паром, полученный при расчете по различным моделям, в том числе разработанным автором, с данными экспериментов, проведенных зарубежными учеными

The developed models of gasification process of plant biomass in gas generators of fluidized bed are presented. The stoichiometric model is based on the calculation of equilibrium constants chemical reactions; non-stoichiometric model is based on finding such quantitative equilibrium composition of generated gas, which meets the minimum of free energy of Gibbs; the third model is based on the ratio of CO/CO2 in the gas generator and balance of mass elements. The article also includes analysis of the reliability of developed models. The comparison of the dependences of the composition of gas and its warmth of combustion from the air excess coefficient, obtained in the research Institute of process air gasification of wood biomass in the laboratory bench, with the results of calculations based on the developed stoichiometric model. The composition of producer gas by gasification of steam generated in the calculation for the different models, including those developed by the author is compared with data from the experiments, carried out by foreign scientists

Ключевые слова: газификация, растительная биомасса, модели процесса газификации

Key words: gasification, plant biomass, gasification process model

Наша страна имеет значительный накопленный опыт в области слоевой газификации растительной биомассы. В работах Б. В. Канторовича, Л. В. Зысина, В.В. Сергеева и др. изложены методоло-

гические основы промышленной слоевой газификации растительного сырья. В основном использование биомассы в слоевых газогенераторах предлагалось для гарантированного энергоснабжения децентрализо-

ванных потребителей [ 1 ]. Максимальная мощность таких аппаратов не превышает 5 МВт. Однако для внедрения газогенераторных технологий на растительной биомассе в большую энергетику необходимо увеличение единичной мощности аппаратов, оптимизация технологического процесса и поиск оптимального решения как с технической, так и с экономической точек зрения. Мировой опыт показывает, что наиболее востребованными являются газогенераторы кипящего слоя, сочетающие в себе возможность увеличения единичной мощности, хорошие экологические показатели, а также качество получаемого генераторного газа.

Для проектирования газогенераторов кипящего слоя требуется заложить научно-технические основы, необходимо разработать модели процесса газификации, а также экспериментально подтвердить их адекватность.

При разработке модели процесса газификации в газогенераторах кипящего слоя проанализирован опыт создания этих аппаратов за рубежом, сопоставлены данные расчетных и экспериментальных исследований, а также учтены проблемы, возникавшие в процессе расчетов.

В результате изыскательских работ в литературе найдено два подхода к моделированию процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя — кинетическая модель, которую рекомендуется использовать при температурах ниже 750 С, и модель термодинамического равновесия. В некоторых источниках выделена модель, основанная на обеспечении требуемого времени пребывания частицы топлива в газогенераторе [2]. Однако, по сути, эта модель схожа с кинетической.

Для расчета состава генераторного газа разработаны следующие модели:

1) модель термодинамического равновесия, включающая стехиометрическую и нестехиометрическую модели;

2) модель, основанная на соотношении СО/СО2 в генераторном газе.

Моделирование процесса газификации растительной биомассы в кипящем слое

сведено к определению состава и выхода генераторного газа при заданной мощности аппарата, исходном топливе, виде газифицирующего агента, а также требуемых температуре и давлении внутри газогенератора.

Стехиометрическая модель основана на расчете констант равновесия химических реакций. Принцип создания модели следующий.

1. Записывается общая реакция газификации 1 моль растительной биомассы в к моль водяного пара и п моль воздуха в виде:

СНх0уК2 + кн20(пар) + шН20(ж) + + п(02 + 3,7614 2) ^

^ хН2 Н2 + хС0С0 + хС02 С02 +

+ хн20Н20 + хСН4 СН4 +

+ хсС + X NN2,

где х, у, г — отношение количества атомов водорода, кислорода и азота в топливе на каждый атом углерода топлива соответственно;

w — количество топливной влаги, моль; х — количество моль г-го компонента в ге-

г

нераторном газе, моль.

2. Составляется баланс массы, т. к. для законов, происходящих внутри газогенераторов, применимы законы сохранения массы и энергии:

С: х СО + х СО 2 + х СН 4 + ХС =1 , (1)

Н: 2х н 2 + 2 х н 2о + 4х сн4 = х + 2к + , (2)

О: х со + 2х со , + хн , о = У + к + w + 2п, (3)

N: х N = - + 7,5 2 п.

(4)

3. Выделяются основные реакции газификации при заданном газифицирующем агенте и находятся константы химического равновесия этих реакций. К примеру, основными при паровой газификации будут реакции вида:

СО + Н2О ~ Н2 + СО2,

К ! =

х Н х со2

х Н2ОхСО

С + Н 20 ^ СО + Н 2

К 2 = -

XН Хг

(5)

(6)

^Н2 о

4. Решается система уравнений (1)-(6). Находится состав газа. Выполняется перевод количества пара и воздуха из молей

в м3.

5. Составляется баланс энергии процесса газификации 1 кг топлива:

Ог, биом ^ СбиомТбиом ^ ^^пар ^

аУ °С' Т + О =

возд возд

У О + С' Т ) +

ген.газУ^ г,ген.газ ген.гаг ген.газ/

(7)

Ос + О

потери'

где Ог^биом — низшая теплота сгорания растительной биомассы, кДж/кг;

СбиомТбиом — физическое тепло топлива (если топливо перед подачей в газогенератор подогревается), кДж/кг;

У0 — теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, м3/кг;

а — коэффициент избытка воздуха; — расход пара для газификации 1 кг топлива, м3/кг;

йпар — энтальпия подаваемого пара, кДж/м3;

С С ' — объемная теплоемкость

возд ^ген.газ

воздуха и генераторного газа при температуре Т и Т соответственно, кДж/

1 1/1 возд ген.газ 7 ^^ '

(м3К);

Твозд — температура вдуваемого воздуха, К; Т — температура газа на выходе из

ген.газ 1 ^ 1

газогенератора, К;

QС — теплота непрореагировавшего углерода топлива, кДж;

Q — суммарные потери через стен-

потери ^ 1 11

ки газогенератора, с золой, шлаком и уносом, кДж;

О/ген газ — низшая теплота сгорания генераторного газа, кДж/м3.

В результате расчета находится Q — количество теплоты, которое необходимо подать в газогенератор для протекания процесса газификации, кДж. Эта теплота может быть введена за счет предварительного подогрева воздуха и/или инертного теплоносителя, а также за счет рециркуляции некоторого объема генераторного газа в газогенератор.

Нестехиометрическая модель. Основана на нахождении такого количественного равновесного состава генераторного газа, который отвечает минимуму его свободной энергии Гиббса. При определении минимума свободной энергии не требуется задавать независимые уравнения реакций и констант химического равновесия этих реакций, поскольку значения свободной энергии зависят только от концентраций компонентов в фазах и масс фаз в системе. Единственной термодинамической величиной, необходимой для расчетов, является стандартная свободная энергия компонентов генераторного газа и исходных веществ.

Энергия Гиббса системы, состоящей из Х (г = 1...Х) компонентов, в условиях равновесия записывается в виде [2]:

х

X

С = £ х г АО?,, + Х х ,ЯГ 1п 1=1 1=1

у0

' X, >

^ т т ,

(8)

где АОг / — свободная энергия Гиббса для г-го компонента генераторного газа при температуре Т К, кДж/моль.

Для решения задач минимизации используем метод множителей Лагранжа, в соответствии с которым

К (X \

1=° -Xхз Ъъхг -А

3 ^ V 3=1 м=1

, кДж/моль

(9)

где X. — множитель Лагранжа для /-го элемента;

а.. — количество атомов /-го элемента в

1 г/ ■

1 моле г-го компонента;

А. — общее количество атомов /-го элемента, поданных в газогенератор с продуктами реакции, / = 1...К.

Приравниваем частные производные L по каждому компоненту к нулю и разделим получившееся выражение на RT:

дЬ

\дх-.

I = 0 .

(10)

Подставляя энергию Гиббса, определенную уравнением (7), в уравнение (10), получаем:

дЬ

дх,

АО.

Т ,1

КТ

1=1 1Е х,

1 К (х

А Еачх 11 =0•

КТ

]=1

1=1

(11)

Для каждого из компонентов генераторного газа запишем:

СН4:

ЛОТ

ЯТ

- 1п|

СО2:

СО:

Н2:

Н2О:

N2:

АО0

ЯТ

- 1п

^обш (х \

х со 2

^-общ

ЯТ

J

ЯТ

г г

I г

АОТ

ЯТ

- + 1п

общ

ЯТ

I с +

ЯТ

4

ЯТ

2 ЯТ

= 0 ,

= о ,

X п = 0 ,

АОТ.

ЯТ

- + 1п I

^-обш

+ — X н = о , ЯТ

доТ

ЯТ

- 4-

до

Т

у х обш (

ЯТ

ЯТ

х0 = о,

где х

общ

+ 1п ЯТ

= Ех .

общ

+-Я- N = 0 ,

ЯТ м

бежными специалистами, работающими в этом направлении, при проведении ряда экспериментальных работ. Это соотношение описывается уравнением [2]

6234

_[СО! = 2400.е тп

[СО2]

(18)

где ТГГ — температура в газогенераторе, С; в — коэффициент пропорциональности.

Для нахождения состава генераторного газа составлена следующая система уравнений, включающая балансы массы по каждому элементу и уравнение (18):

(12)

(13)

(14)

(15)

(16) (17)

пс "(усо

+ Усо, + Усы,

)• т - хс = 0,

пы + 2 • ™ + 2 • к "(2 • Уы2 + 2 • Уы2о + 4 • Усы4)'т = 0-по + w + к-(у со + 2 • Усо2 + Уы2о)'т = 0-

- = 1,

(19)

Р • Усо2 - Усо = 0-

к =|1 -^-Ж!' 100 I ь/в 100

1000

мыо

Для нахождения состава газа уравнения (12) - (17) дополняются уравнениями балансов массы для элементов (1)-(4).

Модель, основанная на соотношении СО/СО2 в генераторном газе, также позволяет рассчитать состав генераторного газа, когда механизм протекания химических реакций неизвестен. Помимо этого, данная модель дает возможность учесть количество непрореагировавшего углерода топлива, что в других моделях сделать достаточно сложно.

Расчет основан на уравнениях балансов массы по каждому из элементов, а также на соотношении СО/СО2 в генераторном газе, которое было получено зару-

где т — сумма количества вещества всех компонентов в газе, моль;

у. — мольная доля г-го компонента в генераторном газе;

Шд/В — массовый расход пара на 1 кг сухой биомассы, кг/кг;

п — количество моль компонента в ис-

г

ходном топливе,

Жг — влажность исходного топлива, %; Мн о — молярная масса водяного пара, г/моль.

Выполнен анализ достоверности разработанных моделей процесса газификации растительной биомассы (древесины, образец ГО 152 [3]) в газогенераторах кипящего слоя с воздушным и паровым дутьем. Сравнивая данные проведенных расчетных исследований с экспериментальными, а также результатами, полученными другими исследователями, можно сделать вывод, что использование разработанной стехиометрической модели представляется наиболее целесообразным для моделирования процесса воздушной газификации. При моделировании паровой газификации ре-

X

4

п

п

N

Усо + Усо2 + Усы4 + Уы2 + Уы2о +

т

т

1

X

X

2

1

комендуется использовать разработанную нестехиометрическую модель, а также модель, основанную на соотношении СО/СО2 в генераторном газе.

Эксперименты проведены на базе Лап-

пеенрантского технологического университета, Финляндия. Принципиальная схема установки, на которой проводились исследования, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 - газогенератор; 2 - система подготовки газа TGAK-3; 3 - газоанализаторы (Geotech GA5000, Servomex, Thermo Scientific 60i); 4 - баллоны с кислородом, углекислым газом и азотом; 5 - расходомеры; 6 - нагреватель; 7 - персональный компьютер

В качестве топлива использовалась древесная щепа. Выбор именно древесной биомассы обусловлен наличием многотоннажных отходов, образующихся как во время лесозаготовки, так и на стадии деревообработки.

Размолотое на специальном станке до размеров 4...6 мм и подсушенное до влажности 12 % топливо подавалось в газогенератор. Конструкция газогенератора устроена так, что загрузка топлива осуществлялась сверху, а подача газифицирующего агента производилась в нижней точке аппарата под колосниковую решетку. Колосниковая решетка выполнена из пористого материала, что способствовало равномерному распределению газифицирующего агента по поперечному сечению газогенератора.

Газификация топлива происходила в трубке диаметром 35 мм, имитирующей шахту газогенератора. Эта трубка изготовлена из термостойкого стекла, что поз-

воляло нагревать аппарат до температуры 1100 С. Снаружи трубка покрыта теплоизолирующим материалом, в который встроены пластины нагревателя. Выход газа был организован в верхней части газогенератора.

Генераторный газ, отобранный из верхней части газогенератора, двигался по газопроводу, охлаждался естественным образом и попадал в систему подготовки газа TGAK — 3, где происходила конденсация содержащейся в газе влаги. Далее свободный от смол и влаги, охлажденный до температуры 5 С генераторный газ подавался в три параллельно расположенных газоанализатора: Geotech GA5000, Servomex, Thermo Scientific 60i. Данные, фиксируемые этими газоанализаторами, сводились в единую программу на ПК 7.

Для управления работой нагревателя и расходомерами на ПК составлена программа в среде LabView, позволяющая задавать скорость нагрева газогенератора, требуе-

мую конечную температуру и расход газифицирующего агента. В эту же программу сводились показания с газоанализаторов и строились диаграммы изменения состава газа и его температуры в режиме он-лайн.

На рис. 2...7 приведено сравнение зависимостей состава газа и его теплоты сго-

рания от коэффициента избытка воздуха, полученных при исследовании процесса воздушной газификации древесной биомассы на лабораторном стенде с результатами расчетов по разработанной стехиометри-ческой модели.

Рис. 2. Расчетные и экспериментальные данные по составу газа (водород)

Рис. 3. Расчетные и экспериментальные данные по составу газа (окись углерода)

Рис. 4. Расчетные и экспериментальные данные по составу газа (диоксид углерода)

Рис. 5. Расчетные и экспериментальные данные по составу газа (метан)

Рис. 6. Расчетные и экспериментальные данные по составу газа (азот)

, МДж/ыЗ -(3 эксперим.. МДж/ыЗ

Рис. 7. Расчетные и экспериментальные данные по теплоте сгорания газа

Из представленных графиков видно, ной газификации по стехиометрической что максимальное расхождение данных эк- модели составляет при а = 0,25-0,4: 11 % сперимента с результатами расчета воздуш- для СН4, 8 % для СО2 и 7 % для Н2. Исходя

из этого, можно сделать вывод, что разработанная модель достаточно правдоподобно описывает процессы, происходящие при воздушной газификации древесной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Разработанная модель процесса воздушной газификации растительной биомассы в кипящем слое также позволяет

рассчитывать состав генераторного газа при изменении влажности исходного топлива (рис. 8). Результаты расчетов подтверждаются данными экспериментальных исследований, проведенных автором и другими исследователями при изменении влажности древесного топлива 12.40 %.

Рис. 8. Расчетные зависимости состава газа и его теплоты сгорания от влажности исходного топлива

Наибольшие расхождения результа- (10,4 %), СО (8,2 %), Н2 (5,8 %) при тов расчета с данными экспериментов при влажности 40 %.

изменении влажности исходного топлива Также проведены расчеты газифи-

отмечены для СО2 (13 %), СН4 (6,7 %), кации растительной биомассы паром. В

СО (5,8 %) при влажности 30 %; для СО2 отличие от воздушной газификации гази-

фикация паром позволяет получить генераторный газ, практически свободный от азота и имеющий достаточно высокую теплоту сгорания.

При расчете состава газа по разработанной нестехиометрической модели при температуре в газогенераторе 800 С и массовом расходе пара 0,3 кг/кг получен генераторный газ следующего состава:

К недостатку разработанной несте-хиометрической модели относится то, что в этой модели достаточно трудно учесть количество непрореагировавшего углерода. Разработанная модель, основанная на соотношении СО/СО2 в генераторном газе, лишена этого недостатка.

Решив систему уравнений (19) при массовом расходе пара 0,3 кг/кг, получены следующие результаты по составу газа:

Компонент Состав газа при 800 С, %

Н2 41,57

СО 24,54

СО2 18,70

Н2О 2,92

СН4 12,27

Компонент Состав газа при 800 С, %

Н2 45,00

СО 25,00

СО2 19,00

Н2О 0,30

СН4 10,70

Рис. 9. Зависимость состава газа от количества подаваемого пара

На рис. 9 показана зависимость состава газа от количества подаваемого пара, на рис. 10 — зависимость состава газа от температуры в газогенераторе. Полученные зависимости позволили определить диапазон соотношения пар/

топливо (рис. 11), при котором отношение водорода к окиси углерода в газе больше 1,5. Такое требование предъявляется к генераторному газу, который используется для производства синтетических топлив.

Рис. 10. Зависимость состава газа от температуры в газогенераторе

з

2.5 2

О

■У 1-5

r-i

К

1

0.5 0

Оптим диапазон

0 0.2 0.4 0.6 0.S 1 1.2

Отношение количества подаваемого пара к количеству биомассы

Рис. 11. Зависимость отношения Н2/СО в генераторном газе от количества

подаваемого пара

В таблице приведено сравнение состава генераторного газа, полученного в результате расчетов по разработанным моделям, с данными эксплуатации пилотной установки в г. Гёссинг, Австрия, при паровой газификации древесного топлива, соотношение S/B = 0,3.

На рис. 12 приведено сравнение состава генераторного газа, полученного при расчете по различным моделям, в том числе разработанным автором, с данными экспериментов.

Сравнение состава генераторного газа, полученного при расчете по различным моделям, с данными эксплуатации пилотной установки

Компонент Состав газа при 800 °С, %

стехиометрич. модель нестехиометрич. модель модель, учитывающая СО/СО2 данные пилотной установки ^игапд)

Н2 40,20 41,57 45,00 35-45

СО 42,40 24,54 25,00 20-25

СО2 4,90 18,70 19,00 15-25

Н2О 4,50 2,92 0,30 -

СН4 8,00 12,27 10,70 8-12

щ Нес теки о метрическая

Стехи ометрич есхая □ Модель

| Экспдэиы

Рис. 12. Состав генераторного газа при паровой газификации, полученный в результате расчетов и в ходе экспериментов

При анализе данных графика становится очевидно, что при расчете паровой газификации по стехиометрической модели на выходе получается газ, состоящий, в основном, из СО и Н2. Это объясняется тем, что данная модель основана на предположении, что в газогенераторе при паровой газификации основными являются реакции вида:

С + Н2О СО + Н2 (эндотермическая),

СО + Н2ОН2 + СО2 (экзотермическая).

В соответствии с принципом Ле-Ша-телье, согласно которому при повышении температуры реакция смещается в сторону поглощения тепла, тормозя повышение температуры, при температурах порядка 750.820 С вторая реакция практически не протекает, а при температурах выше 850 С эта реакция протекает в сторону образования водяного пара и окиси углерода.

Поэтому при температуре в газогенераторе 800 С состав газа определяется только первой реакцией, продуктами которой являются водород и оксид углерода.

Построенная диаграмма также показывает, что разработанная нестехиомет-рическая модель и модель, основанная на соотношении СО/СО2 в газе, позволяют наиболее правдоподобно определить состав генераторного газа при паровой газификации, по крайней мере, при температурах 800.850 °С.

Выводы: представленные модели процесса газификации растительной биомассы позволяют рассчитать состав генераторного газа, получаемого в газогенераторах кипящего слоя, с достаточно высокой степенью точности и могут использоваться в дальнейшем для разработки методики конструктивного расчета газогенераторов кипящего слоя.

Литература

1. Сергеев В.В., Алешина А.С. Выбор тепловой схемы и оборудования газогенераторного энергетического модуля А.С. Алешина // Труды Академэнерго. 2010. № 2. С. 48-56.

2. Basu P. Biomass gasification and pyrolysis: Practical design and theory. Elsevier, 2010. 364 p.

3. Aleshina A., Vakkilainen E. Production of bio-SNG with using biomass gasification: Research report. Lappeenranta : Lappeenranta university of technology, 2012. 116 p.

Коротко об авторах

Briefly about the authors

Иванов С.А., канд. техн. наук, профессор, ректор, Забайкальский государственный университет Тел.: (3022)41-64-44

S. Ivanov, candidate of technical sciences, professor, rector, Transbaikal State University

Научные интересы: энергетика, энергосбереже- Scientific interests: energy, energy saving

Алешина А. С., аспирант, ассистент, каф. «Атомная и тепловая энергетика», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет as [email protected]

А. Aleshinа, postgraduate student, assistant professor, Atomic and thermal energy department, Saint-Petersburg State Polytechnic University

Научные интересы: использование возобновляемых источников энергии; исследование возможности увеличения доли ВИЭ в энергопотреблении страны; усовершенствование циклов генерации тепловой и электрической энергии; энергосбережение и энергоэффективность; газификация растительной биомассы; технологии производства синтетических топлив на основе газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя

Scientific interests: use of renewable sources of energy; IP-adherence to the possibility of increasing the share of RES in primary energy consumption of the country; improvement of the cycles of generation of thermal and electric energy, energy saving and energy efficiency; gasification plant biomass; technology of synthetic fuels production on the basis of gasification of the plant biomass in Osh fluidized bed

ние