Моделирование процесса прямоточной газификации древесных отходов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 67.01

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

А. Р. Хисамеева

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЯМОТОЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: древесина, моделирование, пиролиз, газификация, биомасса, синтез-газ.

Рассмотрен процесс газификации древесных частиц, включающий этапы пиролиза, горения и восстановления. Предложена математическая модель, описывающая зависимости состава пиролизного газа, выхода угля и содержания в нем углерода от температуры, а также реакций зоны восстановления с принятыми ограничениями и допущениями.

Keywords: wood, modeling, pyrolysis, gasification, biomass, synthesis-gas.

The process of gasification of wood particles, including steps of pyrolysis, combustion, and recovery is considered. A mathematical model describing the dependence of the pyrolysis gas, coal output and content of carbon from temperature, and also reaction of recovery zone with the accepted constraints and assumptions is offered.

Газификация - это высокотемпературный термохимический процесс взаимодействия органической массы с газифицирующим агентом, в результате которого образуется смесь различных газов (синтез-газ). Это достаточно эффективный способ получения газа из биомассы, которая в свою очередь становится одним из основных источников для энергетики в будущем [1]. Знание факторов, влияющих на процесс газификации, и управление их параметрами позволяет оптимизировать процесс на выход синтез-газа с максимальным содержанием горючих компонентов [2].

В данной статье представлена модель, которая могла бы быть использована при исследовании и оптимизации процесса газификации древесных отходов. Физическое и математическое моделирование способствует раскрытию механизма процесса и нахождению эмпирических коэффициентов. При газификации можно выделить следующие основные стадии: прогрев, сушку, пиролиз, сгорание продуктов пиролиза и стадию восстановительных процессов образования синтез-газа. Представленная ниже математическая модель описывает эти стадии и учитывает взаимосвязь между ними.

Изменение температуры частицы в процессе прогрева, сушки [3] и пиролиза описывается следующим уравнением

_ _ Тмп _ Тмп / 1 Тмп I , _

РмСм Т ~ x ( ^эф v ) Я мп (1)

IX x

где рм - плотность слоя материала, кг/м ; см - теплоемкость слоя материала; Аэф -

эффективный коэффициент теплопроводности; qMn - сток (приток) тепла определяемый прогревом материала, испарением влаги при сушке и химическими реакциями при пиролизе

Я мп = Я п + Яисп + Я хр (2)

где Яп - сток тепла на прогрев материала; Яисп - сток тепла на испарение влаги; Яхр - удельный

тепловой поток за счет химических реакций.

Частица, достигнув 200 °С, начинает термически разлагаться (начало процесса пиролиза), что сопровождается образованием парогазовой смеси и убылью массы.

В данной работе древесина рассматривается как композиционный материал, состоящий из трех главных составляющих: гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина с массовыми долями 30%, 43,6% и 26,4%, соответственно [4]. А процесс пиролиза - как совокупность процессов

термического разложения ее основных компонентов [4]. Механизм термического разложения компонентов древесины, представлен на рис 1.

Изменение массы в единице объема исходной древесины для каждого из указанных компонентов, запишется в следующем виде [5]

т,.

для гемицеллюлозы: •

X

тт

У гц к гц тгц

к т

' птоп'то

т

для целлюлозы:

- = - к ц тц

(3)

(4)

(5)

т

для лигнина:

(6) Т

где Y - доля компонента; т - удельная масса вещества, кг/м ; к - константы скорости химических реакций, вычисляемые по закону Аррениуса

к, = к, 0 ехр( -

Е_

ЯТ

)

(7)

1

где к(о - кинетическая константа 1-ой реакции, с" ; Е| - энергия активации 1-ой реакции, Дж/моль.

Рис. 1 - Механизм термического разложения компонентов древесины

Изменение удельной массы образующегося угля определяется по уравнению тй

-----= У от к от т 6Т +у 0(- к0т0) + у е(- кете) (8)

X

Изменение массы газовой фазы в единице объема древесной частицы представлена как сумма массовых потоков за счет конвекции и реакций пиролиза (етг) (мпг тг)

----— = - -----~е----+ (1 - Угц )кгц тгц + (1 - Уто )кто тто + (9)

+ (1- Уц )кц тц + (1- Уп )кп тп

где £ - пористость, определяемая из выражения

£ = ( 1_Р™ ), (10)

Рдр

где £др - начальная пористость древесины; робщ и рДр - плотность общего твердого остатка и древесины (частицы), кг/м3, соответственно.

Скорость газового потока ^гп) определяется по закону Дарси

К АР (11)

=- • (11>

где ^ - динамическая вязкость газа, Па-с; ДР - перепад давления, Па; 1_ - расстояние, м; К -газовая проницаемость, м2, рассчитываемая по формуле

К = (1- п )Кдр + ПК у (12)

где П - степень пиролиза, определяемая по формуле (тдр - тто)

п = ^ (13)

тдр0

Давление газа определяется из уравнения состояния идеальных газов

Р = Рг ЯТг (14)

г Мг V 7

г

где Мг и К - молекулярный вес, г/моль, и универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К), соответственно.

Химические процессы образования угля и газов сопровождаются выделением или поглощением тепла, что оказывает значительное влияние на изменение температуры частицы и слоя в целом. Предполагаем, что при пиролизе температура частицы будет равна температуре образующихся газов, а в локальном объеме между компонентами газовой и твердой фазы установлено термодинамическое равновесие. Тогда температура частицы будет определяться температурой газового потока, а уравнение сохранения энергии (1) запишется в виде

(Сгц тгц + Сц тц + Сп тп + Су ту + Спг тпг ) = ~^ ( Л ~^) - тпгСпг^пг + Яхр (15)

Яхр = Ягц (- кгц тгц + Угц кгц тгц - кто тто ) + Яц (- кц тц ) + Ял (- кп тЛ ) (16)

где Лч - коэффициент теплопроводности частицы, кВт(м-К); q - удельная теплота химической реакции, кДж/кг.

Коэффициент теплопроводности для частицы определяется как сумма теплопроводностей древесины, угля и летучих веществ с учетом излучения тепла через поры [6]

13,5оТ ъб пор

\ = (1- п Яр + П\ + 4 +-------(17)

С/

где О - постоянная Стефана-Больцмана; е - излучательная способность; дпор - размер пор, определяемый по формуле

= 5 • 10 -5 (1- п) +104 п (18)

По окончании расчета зоны пиролиза определяется время протекания процесса. Зная скорость продвижения материала, рассчитывается высота зоны пиролиза (Ис=х^м).

При моделировании химических превращений, протекающих при пиролизе древесных

отходов, необходимо провести экспериментальные исследования по определению

зависимостей состава пиролизного газа, выхода угля и содержания в нем углерода от температуры процесса пиролиза.

Согласно принятым допущениям в зоне горения протекают только гомогенные реакции

взаимодействия продуктов пиролиза СО, Н2 и СН4 с окислителем (воздухом) [7].

В процессе расчета определяются теоретически необходимый расход воздуха, температура горения смеси газов и выход продуктов горения.

Расход теоретически необходимого количества воздуха Ов рассчитывается по формуле [8]

^в = Ц0^П .г (19)

где Опг - расход пиролизного газа, м3/с; 1_0 - необходимое количество воздуха для сгорания 1 моля газа [7]

Ц = [ 0,5(00 + Н )+ 2СН4 + ( П + т )С„Нт - О2 ] (20)

Объем продуктов сгорания определяется как сумма объемов отдельных компонентов

Уг = Ус02 + ^Н20 + ^02 + Ум2 (21)

Температура смеси газов в зоне горения вычисляется по формуле 0г

Тг = (22)

г сг

где 0г - низшая теплотворная способность смеси газов, определяемая как [7]

0г = 25,8Н 2 + 30, 2СО + 85,6СН 4 (23)

сг - теплоемкость смеси газов, определяемая как

Сг = Ту1С1 , (24)

/=1

где V; - объемная доля 1-го компонента.

Высота зоны горения определяется по формуле 1!зг = 0,4^р, где Ьр - диаметр реактора.

При рассмотрении зоны восстановления диффузионные потоки тепла и массы пренебрежимо малы по сравнению с конвективным переносом тепла и массы [9], поэтому, пренебрегая влиянием диффузии и теплопроводности, стадию восстановления можно описать следующими уравнениями [10]:

- уравнение материального баланса 1-го компонента газового потока

С.

™ сг-у = - (25)

- уравнение материального баланса для угля

т у

™ у = - т у ; . (26)

У т=1

Уравнение сохранения энергии для угля запишется в виде

-

Русу™у -у- = асг (Т у - Тсг )Р - 2ЦЯ !к/ (Со - С ;)) , (27)

у /=1

а для газового потока

РсеСсе^се = - асг (Ту - Т сг )Р + ^Я/к/ (С/о ' С / )) , (28)

у /=1

где Ру и рс-г - плотность угля и газового потока, кг/м , соответственно; Су и сс-г - теплоемкость

угля и газового потока, кДж/(кг-К); Wу и wг - скорость продвижения угля и газового потока,

м/с; ас-г - коэффициент конвективного теплообмена между газом и углем (Вт/(м2-К)); С;о -

начальная концентрация 1-го вещества; С; - относительное концентрация 1-го вещества; х -

количество параллельно протекающих реакций; f - удельная поверхность,

Скорость газового потока в восстановительной зоне определяется по закону Дарси

К /ЬР ^

Дс г I ^ у

22 где ^с.г - динамическая вязкость газового потока, кг-с/м ; д - ускорение свободного падения, м/с .

Давление газового потока определяется из уравнения состояния идеального газа

Рсг = ^С^Гсг . (30)

=1

Газовая проницаемость слоя зависит от порозности слоя и определяется экспериментальным путем.

К = Г(£) . (31)

Из вышесказанного, расчеты величины динамической вязкости газового потока осуществляются по выражению

w сг = w у------( — + дрсг), (29)

Ч,М'0

i=1

Vos = -------------------------------------------------------------------------------------, (32)

TViM ,0-5

4 os

iM0 - I,VII

i =1

а вязкости компонентов газового потока вычисляются по формуле Сезерленда [8]

273 + Z, T 3 7 2

Vi = Vi0 T + Z, ( 273 ^ , (33)

"/

где V; - объемная доля 1-го компонента в смеси газов; и Цо - динамические вязкости 1-го газа при температуре Т и 273К соответственно; Zj - константы Сезерленда. Значение Zi и Цо при Т= 273 К берутся из [11]

Коэффициент конвективного теплообмена между газом и углем (аг), рассчитывается по формуле, отвечающей ламинарному течению потока [12]

асг = 0,9^ке0,62 рг0,33 , (34)

® 2

где Ре - критерий Рейнольдса; Рг - критерий Прандтля; X с _г - теплопроводность газового потока, вычисляемая по формуле

17 3

i *,M,

\г = ^------------, (35)

Ly,M 17 3

i =1

где Л| - теплопроводность i-го компонента газовой смеси, которая берется в зависимости от

температуры в соответствии с [12].

Литература

1. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р. Р. Сафин, Р. Г. Сафин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 4. -С. 120-126.

2. 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. - №3. - С.169.

3. Тимербаев, Н. Ф. Моделирование процесса сушки древесных частиц при кондуктивном подводе тепла / Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Хисамеева // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. -№4. -С.84.

4. Sjostrom, E. Wood Chemistry Fundamentals and Applications. -NY.: Academic Press, 1981.

5. Varhegyi, G. Kinetics of the thermal decomposition of cellulose, hemicellulose, and sugar cane bagasses // Energy & Fuels. -1989. -№3(3), p.329-335.

6. Di Blasi, C. Heat momentum, Heat, momentum, and mass transport through a shrinking biomass particle exposed to thermal radiation // Chemical Engineering Science. -1996.-№51(7). P. 1121-1132.

7. Юдушкин, Н.Г. Газогенераторные тракторы / Н. Г. Юдушкин, М. Д. Артамонов. -М.: Машгиз, 1955. - 243 с.

8. Дикерсон, Р. Основные законы химии / Р. Дикерсон, Г. Грей, Дж. Хейт. -М.: Мир, 1982.-Т.2.-620 с.

9. Алдушин, А.П. Теплопроводностный и конвективный режимы горения пористых систем при фильтрации теплоносителя // Физика горения и взрыва. -1990. - Т. 26, № 2. - С. 60-68.

10. Леппик, В. А. Энергетическая эффективность сжигания твердых бытовых отходов для использования теплоты в децентрализованном теплоснабжении: дис. ... канд.техн.наук:05.23.03: защищена 2008 / Леппик Владимир Александрович.-Воронеж, 2008.-152 с.

11. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей / Р. Рид, Т. Шервуд. -Л.: Химия, 1971.-704 с.

12. Бесков, С.Д. Техно-химические расчеты. - М.: Высш.шк., 1966.-520 с.

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