CC BY
83
первую очередь к регулированию толщины расстила, которая Ин > Изл, только затем к контролю за влагосодержанием Шн и
г-р-О 8
температурой 1 ’.
Причем по методике ВНИИТП АЪн) = 0,001*5,86х х Ин1,67 (при 8 < Ин <20 мм) и АЪн)=0,001*Ин2,26 (при 20 < Ин < 50 мм) мало отличается от полученных нами теоретическим путем, что позволяет связать эмпирические коэффициенты с метеохарактеристиками и параметрами испарения влаги.
Активная пористость зависит от начальной толщины сушимого слоя. Для низинного торфа степенью разложения R = 2530 % выражается зависимостью
т = 0,32+ 9 И н, при 0 < И н < 50
где И н начальная толщина торфяной крошки, м.
Для верхового торфа R = 30-35 %
т = 0,27+10 И н, при 0 < И н < 50
Значение коэффициента В = т-/а меняется в пределах 0,19-0,33 (верховой) и 0,19-0,42 (низинный) тип торфа, что близко к средним значениям подобного коэффициента для почв В = 0,25 [2].
В качестве примера сравним фактическую интенсивность испарения іф с расчетной і р по формуле (12) при сушке низинного торфа степенью разложения R = 25-30 % и верхового торфа R =30-35 %.
Данные эксперимента и расчетные данные для низинного торфа приведены в табл. 1.
Сушка низинного торфа протекала при следующих условиях: у=с = 82 кг/м3, Шн = 3,2 кг/кг, Шк = 0,8 кг/кг, Т = 301 К, р= 0,57, Р„ = 3780 Па, D = 2,58 10 5 м2/с, V т = 22,4-10-3 м3/моль, R = 8,31 Дж/(моль-К), а= 0,235.
Для верхового торфа (табл. 2) R 30-35 %: ус=87 кг/м3, Шн = 3,1 кг/кг, Ш к=0,8 кг/кг, Т = 301 К, р= 0,57, Р„ = 3780 Па, D = 2,58-10-5 м2/с, V т=22,4-10-3 м3/моль, R=8,31 Дж/(моль-К), а= 0,235.
Среднеквадратическая ошибка для низинного торфа со-
ставила т х =
66,5
6
= 3,3 . 10 6 кг/(м2 с), для верхового тор-
фа т х = I118,62 = 4,4 . 10 -6 кг/(м2 с), что менее 5 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообра-зования в технологии торфяного производства. - М.: Недра, 1992. - 288 с.
2. Чудновский А.Ф. Теплофизика почв.
- М.: Наука, 1976. - 352 с.
3. Афанасьев А.Е., Алехина Т.В. Оценка процессов сушки фрезерного торфа // Технология и комплексная механизация торфяного производства. - Тверь: ТГТУ, 1996.
- С. 9-12.
4. Афанасьев А.Е., Алехина Т.В. Способы расчета продолжительности сушки фрезерного торфа // Технология и комплексная
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
механизация торфяного производства. -Тверь: ТГТУ, 1997. - С. 14-17.
5. Математическое моделирование процессов переноса и фазовых превращений в капиллярах / Н.И. Гамаюнов, АА. Ланков, В.Л. Малышев др. - В кн: Тепломассообмен VII, ТМО в КПТ, том 6. - Минск, 1984, ИТМО АН БССР. - С. 131-134.
6. Антонов В.Я., Малков Л.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки тора. -М.: Недра, 1981. - 239 с.
7. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И. Лиш-
тван, АА. Терентьев, Е.Т. Базин, АА. Головач. - Мн.: Наука и техника, 1983. - 232 с.
8. Афанасьев А.Е. Оптимизация процессов сушки торфяной крошки // Технология и комплексная механизация торфяного производства. - Тверь: ТГТУ, 2000. - С. 4549.
Афанасьев А.Е. — профессор, доктор технических наук, Тверской государственный технический университет. Васильев А.Н. — доцент, кандидат технических наук, Тверской государственный технический университет.
© А.Е. Афанасьев, Э.М. Сульман, А.Е. Усанов, О.С. Мисников, 2002
УДК 622.331
A.E. Афанасьев, Э.М. Сульман, A.E. Усанов, О.С. Мисников РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГАЗИФИКАЦИИ ТОРФА ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
В
современных условиях при постоянно возрастающем дефиците природного газа и нефти огромное значение в качестве новых видов сырья для теплоэнергетики, а также химических процессов приобретают различные виды твердых топлив с большим выходом летучих соединений. В настоящее время проводится работа по созданию и освоению экономичных процессов и способов комплексной переработки углей, торфа, сланцев и других видов горючих ископаемых в облагороженные твердые, жидкие и газообразные виды топлива и хими-
ческого сырья [1].
В связи с постоянным ростом цен на основные виды энергоносителей (газ, мазут, уголь) складывается неблагоприятная обстановка в обеспечении населения электрической и тепловой энергией. Вместе с тем во многих регионах РФ имеются значительные запасы торфяных ресурсов. Торф обладает рядом преимуществ перед некоторыми видами традиционных видов топлива — низкое содержание фосфора, серы и т.д. — что значительно снижает выбросы оксидов этих веществ в атмосферу и, следовательно, улучшает экологическую обстановку на прилегающих территориях.
Одной из важнейших проблем современной науки является широкое использование возобновляемых источников сырья и энергии, и в том числе биомассы. Значительную часть биомассы биосферы составляют наземные растения, а также водная растительность и гетеротрофные организмы. Общие ее запасы на Земле оцениваются в 1836 млрд т с энергосодержанием 27500 млрд ГДж, что эквивалентно 640 млрд т нефти [1]. Биомасса является крупным возобновляемым источником энергии и может быть использована для получения водорода, газообразных, жидких, твердых углеводородов и химического сырья. Первичным источником биомассы являются деревья, сельскохозяйственные культуры, водные растения, а также растения, произрастающие на сильно обводненных территориях (болотах). Кроме того, более 1/5 территории Российской Федерации составляют оторфованные площади, на которых, по оценкам специалистов, сосредоточены запасы торфа в количестве 186 млрд т (37,2 % от мировых запасов) [2]. В Тверской области находится около 2 млрд т торфа 40 % влажности. Причем этот уникальный природный ресурс относится к частично возобновляемым источникам энергии. Ежегодный прирост торфа условной влажности на месторождениях РФ, не тронутых разработкой, составляет около 60 млн т.
В последние годы наметились основные пути химической и биохимической трансформации биомассы в топливо и продукты органического синтеза. Дальнейшее развитие и повышение эффективности экономики РФ в целом, и особенно регионов с крупными запасами природных ресурсов, в значительной степени зависят от комплексного их использования при строгом соблюдении мероприятий по охране окружающей среды. Это обстоятельство особенно актуально, так как возросшие масштабы деятельности человека становятся все более сопоставимыми с действием природных процессов, вызывая необратимые нарушения биосферы.
В этой связи рациональное использование биосферы и ее охрана от вредных техногенных процессов приобретают все возрастающее значение, и именно новым ресурсосберегающим технологиям принадлежит решающая роль в совершенствовании и разработке новых эффективных способов очистки промышленных выбросов от вредных примесей.
Для производства тепловой энергии в настоящее время разработаны различные типы теплогенераторов и котельных с использованием традиционных методов пламенного сжигания газообразующих, жидких (мазут, солярка, керосин и др.) и твердых (антрацит, каменный и бурый уголь, торф, костра, опилки, лигнин, бытовой мусор и др.) видов топлива. Этот способ получения тепловой энергии в зависимости от вида топлива происходит при довольно высоких темпе-
ратурах горения (~ 1300 °С) с выделением в окружающую среду различных вредных веществ, загрязняющих атмосферу и прилегающие территории. Повышенные температуры горения предъявляют соответствующие требования к конструкции теплогенераторов и котлов, а выделение дыма — к нарушению экологии окружающего пространства. При среднетемпературном (приблизи-тельно 700 °С [1]) сжигании различных видов топлива, в том числе и твердого, упрощается конструкция теплогенераторов и котлов, не снижая КПД установок. Такой подход возможен при каталитической газификации твердых топлив (уголь, торф, сланцы и т. п.), а также других органических материалов, что наряду с повышением экологической безопасности производств существенно увеличивает коэффициент полезного действия установок из-за использования высококачественного топливного газа. Основной трудностью решения этого вопроса является разработка катализатора при сжигании конкретных видов и типов торфа.
Таким образом, низкотемпературное каталитическое окисление торфа имеет важное значение при разработке теплогенераторов и котлов на местном низкокалорийном топливе, конкурирующем с привозным: мазутом, каменным и бурым углем, а также по доступности (дешевизне) с газом для Тверского и других регионов РФ.
В качестве исходного сырья использовались различные органические материалы биогенного происхождения, широко распространенные в различных регионах РФ: верховой магелланикум торф, пушицево-сфагновый торф, а также органический сапропель (табл. 1).
Основным сырьем для исследований служил верховой пушицево-сфагновый торф. Добыча торфяного сырья осуществлялась фрезерным способом комплектом бункерных уборочных машин с механическим принципом сбора [3]. Образцы сапропеля извлекались экскаватором из-под залежи торфа. Сушка до кондиционной влажности [4] осуществлялась в сушильной установке при конвективном теплопод-воде и температуре 100 °С. Затем материалы измельчались на лабораторной молотковой дробилке и просеивались на виброгрохоте (типа ГВР [5]) с отбором фракций 0,5-1 мм. Для предотвращения увлажнения (вследствие высокой гигроскопичности материалов) готовый субстрат хранился в эксикаторе при комнатной температуре.
Эксперименты по термической конверсии проводили с применением паро-воздушного дутья. Причем, воздух в зону реакции подводился бытовым компрессором, а пар - при помощи лабораторного парогенератора. Подача дутья осуществлялась в подрешеточное пространство реактора (рис. 1).
Для термической переработки биогенных органических материалов использовались каталитические системы на основе металлов VIII группы таблицы Д.И. Менделеева (табл. 2).
Таблица 1
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Показатель Торф Сапропель
Магелланикум Пушицево-сфагновый
Тип Верховой органический
Степень разложения, % 5...10 20...25 —
Зольность, % 2 5 17
Дисперсность (условная удельная поверхность), м2 /кг 200 400 600
Влажность, % 20 20 20
Таблица 2
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
№ Катализатор Содержание металла
1. Pd/Y-AІ2O3 0,5 %
2. Рґ/У- АІ2О3 0,5 %
3. Рс-Мі/у- АІ2О3* 0,5 %
*Катализатор на основе фталоцианина никеля к газоанализатору
Таблица 3
УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗИФИКАЦИИ ТОРФА
№ Характеристика Значение
1. Навеска торфа, г 10
2. Навеска катализатора, г 5
3. Расход воздуха, мл/мин 100
4. Расход пара, г/мин 5
Каталитические системы подготавливались из соответствующих солей и комплексов по влагопоглощению [6] с расчетным содержанием металла в катализаторе 0,5 %. Катализатор вводился в количестве 1/2 от массы навески торфа (т. е. соотношение торф : металл составляло 400 : 1).
Термическая конверсия осуществлялась в периодическом режиме (рис. 1). В реактор 1, помещенный в нагреватель 2, загружали навеску торфа и катализатора и нагревали. При достижении температуры 200 °С через штуцер 3 подавали дутье. Контроль за температурой осуществляли при помощи ртутного термометра 4. Парогазовый поток, выходящий из реактора, разделяли в холодильнике 5. Газовую фракцию анализировали на содержание углеводородов (в пересчете на н -пропан), жидкую фракцию собирали в сборник.
В табл. 3 приведены основные характеристики процесса газификации торфа в лабораторных условиях.
Анализ газовой смеси осуществляли при помощи автоматического газового анализатора ГИАМ-22.
Процесс термолиза твердых топлив представляет собой совокупность ряда последовательных и параллельных ций, которые вследствие сложности строения их элементарных структурных единиц (термодинамическая устойчивость
отдельных химических связей и природа топлива) протекают в несколько стадий. Эти стадии характеризуются определенным рядом однотипных групп реакций со специфическими кинетическими закономерностями. Торф сравнительно простым путем может быть разделен на группы веществ с характерными только для них химическими свойствами [7, 8]. Поэтому появляется реальная возможность в изучении механизма термического разложения и подбора оптимальной сырьевой базы для создания высокопроизводительных газогенераторных установок.
При нагревании выше 250-3275 °С органическое составляющее торфа подвергается деструкции с образованием ряда летучих компонентов. Например, целлюлозная составляющая при действии кислорода и воды распадается с выделением окиси и двуокиси углерода, водорода и т.д. [8]:
Я Я Я
I I I
Н-С-ОН, С=О, Н-С-Н О2, НО СО, СО2, Н2, СНО, НСООН
\ ’ \’ I 2_________________^ 2,
Я'
Возможны также и реакции внутримолекулярного распада. Но, как было показано ранее [3, 4, 7], при деструкции органических составляющих торфа образуются в основном моноуглеродные продукты.
Образовавшиеся летучие продукты способны к дальнейшему взаимодействию друг с другом, веществами, вводимыми в реакционную смесь, и с исходными субстратами.
Зависимости содержания насыщенных углеводородов при газификации различных органических материалов приведены на рис. 2. Анализ данных зависимостей показывает, что все исследованные органические субстанции при нагревании в присутствии паровоздушного дутья разлагаются с выделением углеводородов (время, отвечающее пикообразному росту выхода углеводородов, соответствует достижению температуры 200 °С и включению подачи паровоздушного дутья). Причем наибольший выход углеводородов наблюдается при конверсии пушицево-сфагнового торфа и органического сапропеля. Верховой магелланикум торф дает существенно меньшие выходы горючего газа. Кроме того, при меньших значениях (сравнить рис. 2 Ь и рис. 2 с) максимального выхода кривая газификации пушицево-сфагнового торфа имеет большую ширину пика. Это, по всей вероятности, связано с тем, что в его групповом химическом составе значительная доля органического вещества приходится на гуминовые и фульвовые кислоты, при термолизе которых выделяется много газа. При конверсии органического сапропеля выделяется наибольшее количество газа по сравнению со всеми исследуемыми материалами.
я
R
О
Рис. 1. Схема лабораторной установки (пояснения в тексте)
Рис. 2. Зависимость концентрации углеводородов С от времени t, мин газификации: а) верхового магелланикум торфа; b) верхового пушицево-сфагнового торфа; с) органического сапропеля (здесь и далее С дана в пересчете на н-пропан и выражена в частях на миллион
О і. —Г? ^*1 і ні -г——і------------------------------1-1-1------
О 10 20 30 40 50 t
Это свидетельствует о существенных различиях гумино-вых веществ торфа и сапропеля. При исследовании их методами гидролиза, гельхроматографии, ИК-спектроскопии, в гуминовых кислотах сапропелей обнаружено более высокое содержание азота и водорода [9], что связано с особенностями их накопления в среде, богатой белками и жирами.
Однако процессы газообразования при термолизе имеют достаточно высокие энергии активации и для их осуществления необходимы значительные температуры. Введение катализатора в реакционную систему приводит к протеканию описанных выше реакций по другим «маршрутам» с меньшими значениями энергии активации, т. е. при меньших температурах.
К настоящему времени разработано большое количество каталитических систем, причем подавляющее их большинство создано на основе d-элементов (в основном металлов платиновой группы).
На рис. 3 представлены результаты экспериментов по газификации торфа с различными катализаторами.
Газификация торфа в присутствии катализатора на основе фталоцианина никеля (рис. 3, кривая 1) показывает,
что данный катализатор существенного воздействия на процесс окисления топлива не оказывает. В его присутствии при температуре до 300-350 °С происходит обычное полукоксование. Состав и содержание газообразных продуктов практически не отличаются от случая проведения газификации без катализатора.
Г азификация в присутствии платины, нанесенной на оксид алюминия (рис. 3, кривая 2) также показала нецелесо-
образность ее использования в качестве катализатора, ускоряющего процессы получения углеводородов при пиролизе торфа. Платина интенсифицирует окисление газов пиролиза торфа и не оказывает существенного влияния на выход углеводородов. Необходимо отметить, что в данном случае в условиях проведения эксперимента происходит полное окисление торфа и выделение газов заканчивается.
Газификация в присутствии палладия (рис. 3, кривая 3). Сравнение палладиевого катализатора с другими исследованными контактами показывает, что его использование при обработке пиролизных газов торфа приводит к значительному повышению выхода углеводородов. Содержание углеводородов в выделяющейся газовой смеси в примерно в полтора раза выше, чем в отсутствие катализатора. Кроме того, применение этого типа каталитической системы значительно сокращает (приблизительно в два раза) время выхода газов при термолизе торфа (рис. 4).
Таким образом, катализатор на основе палладия можно
Рис. 3. Результаты газификации верхового пушицево-сфагнового торфа в присутствии катализаторов на основе: 1 -фталоцианина никеля; 2 -платины; 3 — палладия
Рис. 4. Зависимость концентрации углеводородов С от времени t, в процессе термической деструкции верхового пушицево-сфагнового торфа, с катализатором на основе палладия (1) и без катализатора (2)
рекомендовать для интенсификации процессов газификации торфа. В качестве сырья необходимо применять торф средней и высокой степени разложения. Кроме того, из всех исследованных биогенных материалов, для получения газа путем низкотемпературной термической деструкции наиболее перспективен органический сапропель. Вопрос об использование других типов сапропелей, в том числе и озерных, требует дальнейшей тщательной проработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Бе-ренгартен М.Г. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1990. - 520 с.
2. Савельев ВМ. Состояние торфяной отрасли и перспективы развития // Торфяная отрасль России на рубеже XXI века: проблемы и перспективы / Материалы на-уч.-практ. конф. (Часть 1). - Тверь: ТГТУ, 1999, - С. 3.
3. Справочник по торфу / Под ред. А.В. Лазарева и С.С. Корчунова. - М.: Недра, 1982. - 760 с.
4. Газификация фрезерного торфа / Под ред. Н.Н. Богданова, - М.-Л.: Госэнергоиз-дат, 1959. - 120 с.
5. Горфин О. С., Зайцев B.C. Технология переработки торфа. - М.: Недра, 1986. -248 с.
6. Научные основы приготовления катализаторов // Материалы Всесоюзного совещания. - Новосибирск: Институт катализа СО АН СССР, 1984. - 269 с.
7. Раковский В.Е., Филимонов Ф.А., Новичкова Е.А. Химия пирогенных процессов.
- Мн.: АН БССР, 1959. - 208 с.
8. Смольянинов С.И., Маслов С.Г. Термобрикетирование торфа. - Томск, 1975. -108 с.
9. Лопотко М.З. Озера и сапропель. Мн.: Наука и техника, 1978.
10. - 88 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Афанасьев А.Е. — профессор, доктор технических наук, Тверской государственный технический университет. Сульман Э.М., Усанов А.Е., Мисников О.С. —Тверской государственный технический университет.
