CC BY
31
УДК 662.7
М. А. Таймаров, И. Р. Додов
УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА
Ключевые слова: форкамера бункера дисперсного исходного сырья, пиролизный реактор циркулирующего кипящего слоя, камера горения циркулирующего кипящего слоя, уходящие газообразные продукты сгорания, циклон очистки первой ступени, водяной теплообменник, топливный насос, газ рециркуляции, подача воздуха, отвод золы.
В данной статье рассматривается установка для производства синтетического моторного топлива из исходного сырья-мелкораздробленной древесины путем низкотемпературного быстрого пиролиза. Получено, что размещение пиролизного реактора концентрично внутри камеры горения позволяет сократить потери теплоты горения углистого вещества древесины и повысить коэффициент использования древесины.
Keywords: the settling chamber of the hopper dispersed feedstock,pyrolysis reactor of the circulating fluidized bed, the combustion chamber of a circulating fluidized bed, outgoing gaseous products of combustion, cyclone cleaning of the first stage,water heat exchanger, fuel pump,gas recirculation, air supply, removal of ash.
In this article installation for production of synthetic motor fuel from initial raw materials-melkorazdroblennoy of wood by low-temperature fast pyrolysis is considered. It is received that placement of the pyrolysis reactor kontsentrichno in the camera of burning allows to reduce losses of warmth of burning of carbonaceous substance of wood and to increase wood efficiency.
Введение
Получение синтетического моторного топлива из растительной древесной биомассы является перспективным направлением переработки древесины. Предлагаемая в статье разработка относится к области принципиально новых конструкций устройств для производства синтетического жидкого моторного топлива из исходного сырья-мелкораздробленной древесины путем низкотемпературного быстрого пиролиза и может быть использована также для получения жидких топлив из исходных мелкораздробленных горючих биоматериалов растительного и животного происхождения. Установка предназначена для отраслей промышленности и сельского хозяйства в удаленных районах, которые имеют ограниченный доступ к нефтяным ресурсам и продуктам их переработки. Установка может быть использована в качестве резервного источника получения жидкого моторного топлива для двигателей
электроэнергетических агрегатов, генераторов военных частей и подразделений МЧС в полевых условиях.
Описание конструктивных особенностей установки
Разработке элементов и узлов конструкций установки для получения синтетического моторного топлива из растительной древесной биомассы посвящено достаточно большое количество работ [1-10]. В той или иной мере известные элементы и узлы установки имеют существенные недостатки, что сдерживает их практическое использование. Среди известных конструкций наиболее перспективной является установка, содержащая бункер исходного сырья, пиролизный реактор циркулирующего кипящего слоя, камеру горения циркулирующего кипящего слоя, циклон очистки первой ступени, циклон очистки второй ступени, конденсатор первой ступени, водяной теплообменник, конденсатор второй ступени,
топливный насос, газодувку рециркуляции газа, блок первичной очистки синтетического топлива, блок стабилизации синтетического топлива, канал подачи исходного сырья, канал перетока твердого инертного вещества (см.
http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/analit/an001 .htm). Однако в известной конструкции имеются недостатки, сдерживающие ее практическое применение. Основные из них следующие:
1. Большие потери теплоты реакции горения в общем пиролизном процессе переработки, связанные с наружным охлаждением корпуса пиролизного реактора.
2. Большие потери теплоты реакции горения, связанные с повышенной температурой уходящих газообразных продуктов сгорания на выходе из камеры горения.
3. Потери теплоты, связанные с регулированием высоты кипящего слоя частиц инертного материала (кварцевого песка) в камере горения.
4. Потери теплоты, связанные с несовершенством процесса теплопередачи к нагреваемому исходному сырью вследствие того, что нагрев частиц мелкораздробленного исходного сырья осуществляется только путем прямой передачи тепла от нагретых частиц инертного материала (кварцевого песка) в пиролизном реакторе.
5. Потери теплоты, связанные со стадией нагрева и испарения остаточной влаги в частицах мелкораздробленного исходного сырья, поступающего из бункера.
Описываемая в данной статье установка (рис. 1) направлена на устранение указанных недостатков. (коксовых частиц и частиц угля) в общем пиролизном процессе переработки при получении синтетического жидкого моторного топлива. Конечной целью предлагаемой
конструкции является повышения эффективности использования теплоты реакции горения углистого вещества.
Рис. 1 - Схема конструкции установки для производства синтетического моторного топлива: 1 -форкамера бункера дисперсного исходного сырья, 2 - пиролизный реактор циркулирующего кипящего слоя, 3 - камера горения циркулирующего кипящего слоя, 4 - уходящие газообразные продукты сгорания, 5 - твердое инертное дисперсное вещество (кварцевый песок), 6 - углистое вещество (коксовые частицы и частицы угля), 7 - циклон очистки первой ступени, 8 - циклон очистки второй ступени, 9 - конденсатор первой ступени, 10 - водяной теплообменник, 11 - конденсатор второй ступени, 12 - промежуточный конденсат синтетического топлива, 13 - топливный насос, 14 - газ рециркуляции, 15 - подача воздуха, 16 -отвод золы, 17 - газодувка рециркуляции газа, 18 - блок первичной очистки синтетического топлива, 19 -отвод загрязняющих веществ, 20 - блок стабилизации синтетического топлива, 21 - форкамера перетока, 22 - канал подачи исходного сырья, 23 - канал перетока твердого инертного вещества (кварцевого песка), 24 - отвод синтетического жидкого моторного топлива
Решение поставленной задачи достигается путем устранения потерь теплоты от наружного охлаждения корпуса 2 пиролизного реактора за счет ликвидации контакта корпуса реактора с окружающим воздухом, снижения потерь теплоты, связанных с повышенной температурой уходящих газообразных продуктов сгорания на выходе из камеры горения 3 за счет увеличения доли теплоты подводимой к нагреваемым частицам исходного сырья, снижения потерь теплоты, связанных с регулированием высоты кипящего слоя частиц инертного материала (кварцевого песка) 5 за счет резервирования их излишнего определенного количества в пределах пояса зоны горения кипящего слоя без их уноса в циклон очистки 7 первой ступени, повышения количества передаваемой теплоты реакции горения нагреваемым частицам мелкораздробленного исходного сырья за счет дополнительной прямой теплопередачи от зоны горения через стенку пиролизного реактора 2 непосредственно самим частицам нагреваемого исходного сырья без промежуточного нагрева частиц твердого инертного вещества (кварцевого песка), уменьшения потерь теплоты, связанных со стадией нагрева и испарения остаточной влаги в частицах мелкораздробленного исходного сырья, поступающего из бункера 1 за счет подвода теплоты путем термоудара непосредственно к частицам, находящимся непосредственно в бункере и одномоментного удаления образующихся паров воды из зоны бункера посредством их отсасывания.
Техническое достижение поставленной цели производится путем разработки особой конструкции камеры горения 3, совмещающей в своем составе в объеме корпуса камеры горения блока пиролизного реактора 2, бункера исходного сырья, канала подачи исходного сырья, канала перетока твердого инертного вещества (кварцевого песка) и
дополнительного буферного пространства для накопления излишних частиц твердого инертного вещества в виде форкамеры перетока и удаления из зоны бункера образующихся паров воды путем отсоса.
Техническое назначение узлов
и функционирование установки
Форкамера 1 бункера исходного сырья предназначена для загрузки мелкораздробленного исходного преимущественно древесного сырья, предварительного нагрева сырья, нагрева и испарения остаточной влаги из сырья. Необходимость получения мелкораздробленного древесного сырья обуславливается применяемым низкотемпературным процессом быстрого пиролиза для увеличения площади поверхностного контакта биомассы древесины и ускорения прогрева вещества исходного сырья. Получение мелкораздробленного дисперсного древесного материала производится на специальном дробильном устройстве, который совмещает, помимо дробления, функцию сушильного агрегата (на рис. 1 дробильное устройство с сушильным агрегатом не показаны). Удаление испарившейся влаги из бункера производится путем отсасывания вентилятором. Выброс этой влаги осуществляется через фильтры улавливания твердых частиц и окиси углерода. Форкамера 1 бункера исходного сырья является встроенным в корпус камеры горения 2 узлом, выступающей частью которого являются загрузочный затвор с каналом непрерывно-порционной подачи мелкораздробленной древесины и трубопровод к вентилятору отсоса паров воды (на рис.1. загрузочный затвор с каналом непрерывно-порционной подачи мелкораздробленной древесины, система отсоса с фильтрами и непосредственно сам вентилятор условно не
показаны). Загрузочный затвор предохраняет внутреннее пространство бункера с находящимися в нем частицами от контакта с излишним количеством атмосферного воздуха. Необходимая теплота для испарения влаги из частиц исходного сырья подводится через стенку корпуса бункера со стороны камеры горения в результате протекания реакции горения углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля).
Пиролизный реактор 2 циркулирующего кипящего слоя служит для осуществления термохимической реакции низкотемпературного быстрого пиролиза с получением первичных газообразных и твердых продуктов и с предотвращением вторичного крекинга первичных продуктов пиролиза. Корпус пиролизного реактора 2 размещен непосредственно внутри камеры горения 3, непосредственный контакт стенки корпуса с окружающим атмосферным воздухом отсутствует. Вследствие этого потери теплоты от наружного охлаждения отсутствуют и эффективность превращения исходного сырья в синтетическое моторное топливо, по сравнению с прототипом, повышается. При вторичном крекинге снижается конечный выход жидкого топлива. Для предотвращения вторичного крекинга и повышения выхода жидкого топлива в заявляемой конструкции, по сравнению с прототипом, снижено время пребывания паров пиролиза в зоне нагрева частиц за счет дополнительного подвода теплоты от более нагретой стенки реактора по сравнению с прототипом, в котором основная доля тепла подводится от нагретых частиц инертного материала. Реакции пиролиза в реакторе 2 происходят практически в безокислительной атмосфере в псевдожиженном циркулирующем кипящем слое, состоящим из витающих в потоке рециркулирующего газа мелко мелкораздробленных дисперсных частиц исходного древесного сырья и частиц твердого инертного материала (кварцевого песка). В пиролизный реактор 2 мелко мелкораздробленные дисперсные частицы исходного древесного сырья поступают из форкамеры бункера 1 по обогреваемому каналу подачи 22, а частицы 5 твердого инертного вещества (кварцевого песка) поступают по обогреваемому каналу 23 перетока из форкамеры 21. Расположение каналов 22 и 23 в камере горения 3, по сравнению с прототипом, устраняет потери теплоты от наружного охлаждения этих каналов атмосферным воздухом. Продукты пиролиза, состоящие из пиролизного газа, частиц твердого инертного вещества (кварцевого песка и углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля) подаются за счет разрежения, создаваемого газодувкой 17, в циклон очистки первой ступени 7. Камера горения 3 служит для получения теплоты путем горения частиц 5 углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля) в воздухе 15, вдуваемом от дутьевого вентилятора с регулируемым напором и расходом воздуха (на рис.1. дутьевой вентилятор не показан). Отвод газообразных продуктов сгорания 4 осуществляется дымососом с регулируемой тягой через
золоуловитель и фильтр газоочистки (на рис.1. дымосос, золоуловитель и фильтр условно не показаны). Регулирование осуществляется путем изменения числа оборотов электродвигателей дутьевого вентилятора и дымососа с частотно-регулируемыми приводами, соединенными электрическими связями с компьютером управления дозатором подачи углистого вещества 6 на выходе циклона 8 (на рис.1. частотно-регулируемые приводы, их соединения и блок компьютерного управления условно не показаны).
Камера горения 3 имеет комбинированное пусковое устройство (на рис.1. не показано) первоначального пуска установки в работу, состоящее из восьми универсальных вихревых газомазутных горелок со встроенными дутьевыми вентиляторами и механическими мазутными форсунками, расположенными встречно в два яруса, имеет систему контроля факела и измерения температуры частиц инертного материала в реакторе 2 и камере 3, имеет систему воспламенения для поджигания факела, имеет систему подачи мазута с мазутными насосами (основным и резервным) и емкостью для хранения мазута, а также резервный топливный баллон для хранения газообразного топлива. Вместо мазута может использоваться синтетическое жидкое моторное топливо, получаемое непосредственно на самой установке. Пусковое устройство служит для нагрева до требуемой температуры 670 °С дисперсного инертного материала (кварцевого песка) в пиролизном реакторе 2, в камере горения 3 и нагрева стенок форкамеры бункера исходного сырья 1, форкамеры перетока 21, канала подачи исходного сырья 22 и канала перетока твердого инертного вещества 23. Датчики температуры, контроля факела и система управления узлами пускового устройства соединены электрическими связями компьютерным блоком управления установки (на рис.1. электрические связи и компьютерный блок не показаны).
Камера горения 3 работает по принципу уравновешенной тяги. Количество циркулирующего твердого инертного вещества 5, высота кипящего слоя в пиролизном реакторе 2 и высота кипящего слоя в камере горения 3 регулируются резервным количеством частиц, находящихся в объеме форкамеры перетока 21, и дозируется на входе канала 23 специальным устройством с электроприводом с помощью компьютерного блока по компьютерной программе в зависимости от химического состава древесины (биомассы), а также в зависимости от разрежения и температуры в камере горения 3 и в зависимости от разрежения и температуры в пиролизном реакторе 2 (на рис.1. электроуправляемое дозирующее устройство, компьютерный блок, соединения с первичными датчиками температуры и разрежения условно не показаны).
Количество подаваемого в камеру горения 3 углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля) 6 осуществляется электроуправляемым дозатором на выходе из циклона очистки второй ступени 8 по
компьютерной программе, связанной блоком компьютерного управления дозирования высоты кипящего слоя (на рис.1. электроуправляемый дозатор, соединения и блок компьютерного управления условно не показаны). Информация о необходимом количестве подаваемого углистого вещества 6 в камеру 3 для оптимизации эффективности выхода синтетического жидкого моторного топлива для интегральной компьютерной программы является первичной. Вторичным сигналом является количество подаваемого воздуха 15 на горение в камеру 3 при минимальном коэффициенте избытка воздуха, устанавливаемом по компьютерной программе от основного управления дозатором подачи углистого вещества путем изменения числа оборотов электродвигателя дутьевого вентилятора с частотно-регулируемым приводом. Уходящие газообразные продукты сгорания 4, состоящие из компонентов воздуха и избыточного количества двуокиси углерода, паров воды и некоторого количества продуктов неполного сгорания углистого вещества и золы, являются одним из основных источников потерь теплоты. В предлагаемой установке потеря теплоты с уходящими газообразными продуктами сгорания, по сравнению, с известным устройством, уменьшена вследствие того, что снижен удельный расход углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля) при одном и том же коэффициенте избытка воздуха 15, подаваемого на горение в камеру 5.
Мелкодисперсные частицы твердого инертного вещества (кварцевого песка) 5 являются промежуточным рабочим телом, которое объемно воспринимает теплоту, выделяющуюся при горении углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля) 6 в камере горения 3, и передает эту теплоту мелкораздробленным дисперсным частицам древесины в пиролизном реакторе 2. С помощью частиц твердого инертного вещества 5 создается определенная высота псевдоожиженного кипящего слоя в реакторе 2 для оптимизации производства синтетического жидкого моторного топлива. Первоначально мелкодисперсные частицы твердого инертного вещества (кварцевого песка) 5 загружаются в соответствии с проектной производительностью установки. Восполнение потерь частиц твердого инертного вещества (кварцевого песка) 5 с уносом уходящими газами и с отводом золы 16 осуществляется через форкамеру перетока 21. Мелкодисперсные частицы углистого вещества (коксовые частицы и частицы угля) 6 при сгорании в потоке воздуха 15 являются источником тепловой энергии для осуществления реакций низкотемпературного быстрого пиролиза в реакторе 2. Циклон очистки первой ступени 7 служит для улавливания частиц твердого инертного вещества (кварцевого песка) 5 и накопления его в нижней части циклона. Циклон 7 связан каналом с нижней частью камеры горения 3, по которому производится возврат частиц инертного материала в кипящий слой.
Циклон очистки второй ступени 8 служит для улавливания частиц углистого вещества (коксовых
частиц и частиц угля), накопления частиц в нижней части циклона и последующего возврата их в кипящий слой камеры горения 3.
Конденсатор 9 первой ступени служит для охлаждения и последующей конденсации паров пиролизного газа после циклона очистки 8. Отвод тепла от пиролизного газа осуществляется путем орошения переохлажденным промежуточным конденсатом синтетического топлива 12. Водяной теплообменник 10 служит для переохлаждения промежуточного конденсата синтетического топлива 12 перед подачей его в конденсатор 9. Теплота от промежуточного конденсата синтетического топлива отводится за счет циркуляции воды внутри труб теплообменника 10. Конденсатор второй ступени 11 служит для охлаждения и последующей конденсации не сконденсировавшихся паров пиролизного газа после теплообменника 10.
Кварцевый песок 5 нагревается при сгорании части пиролизного газа и углистого вещества в камере сгорания с кипящим слоем.
Подвод теплоты к каналам 22 и 23 осуществляется непосредственно от зоны горения частиц углистого вещества (коксовых частиц и частиц угля) в воздухе.
Выводы
1. Размещение пиролизного реактора концентрично внутри камеры горения позволяет сократить потери теплоты горения углистого вещества древесины и повысить коэффициент использования древесины.
2. Канал перетока твердого инертного вещества (кварцевого песка) позволяет повысить управляемость процесса горения углистого вещества и снизить безвозвратные потери теплоты от частиц инертного вещества (кварцевого песка).
Литература
1. Таймаров М.А. Технология котлостроения. Учебное пособие. Казань: КГЭУ. 2004.
2. Таймаров МА.Котельная установка с поворотными горелочными устройствами. Материалы Международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы-2013. 11 -13 сентября 2013 г. Казань, 2013
3. Таймаров М.А. Современные проблемы энергомашиностроения. Учебное пособие. Казань: КГЭУ. 2004.
4. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Беляева А.В., Зиатдинова Д. Ф. Основы систем автоматизированного проектирования / Уч. пособие. КГТУ, Казань, 2006 г.
5. Таймаров М.А., Сафин Р.Г. Форсунка для сжигания обводненного мазута. Вестник Казанского Технологического Университета, НегаМо£КжапТесЬпо1(^саШтуега1у, 2012, Т. 15, №16, с.144-145
6. Зиатдинова Д.Ф., Сафин Р.Г., Зиатдинов Р.Р. Современное состояние техники и технологии производства древесной массы сбросом давления. Вестник Казанского Технологического Университета, 2011, №7, с.53-57
7. Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Г., Галеев Т.Х. Разработка технологии получения метанола из древесных отходов.
Вестник Казанского Технологического Университета, 2013, Т. 16, №3, С.168-170
8. Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Г., Исмагилова Л.М. Технология переработки древесных отходов в диметиловый эфир. Вестник Казанского Технологического Университета, 2013, Т. 16, №7, с.95-97
9. Тунцев Д.В., Сафин Р.Г., Касимов А.М., Хисматов Р.Г., Саттарова З.Г. Технологическая схема газификации
жидкого продукта контактного пиролиза // Вестник Казанского технологического университета. 2013, Т. 16, №19, С.139-141 10. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Хайруллина Э.Р., Гайнуллина А. А., Степанова Т. О. Современные строительные материалы на основе древесных отходов. // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т. 17. №20. - С. 122-127.
© М. А. Таймаров- д-р техн. наук, профессор каф. ПДМ, КНИТУ, Taimarovma@yandex.ru; И. Р. Додов- магистрант каф. КУПГ, КГЭУ;utisey@gmail.com.
© M. A. Taimarov - dr. of technical sciences, proff. of the department RWM, KNRTU,Taimarovma@yandex.ru; 1 R. Dodov -master of the department BISG, KSPEU; utisey@gmail.com.
