CC BY
35
10. Beenackers, A. Gasification Technologies for Heat and Power from Biomass [Текст] / A. Beenackers, K. Maniatis // Ibid. - 1996.
- T 13(1). - c. 228-259.
11. Basu, P. Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory [Текст] / P. Basu. - Elsevier Science, 2010. - 376 c.
----------------------□ □-------------------------
В статті представлено фізичну модель процесу пароповітряної газифікації тирси в псевдо-зрідженому шарі, математичну модель розрахунку ентальпій утворення продуктів реакції, графічне зображення концентрації вихідних компонентів утворених при температурі 1100 °C. Наведено розрахункові дані (витрати енергії та кількість СО і Н2 на виході) при температурі 1100 °C
Ключові слова: пароповітряна газифікація, температурний режим, окисник, тирса, псевдозріджений шар, горючий газ
□-----------------------------------------□
В статье представлены физическая модель процесса паровоздушной газификации опилок в псев-доожиженном слое, математическая модель расчета энтальпий образования продуктов реакции, графически изображены концентрации исходных компонентов образованных при температуре 1100 °C. Приведены расчетные данные (расход энергии и количество СО и Н2 на выходе) при температуре 1100 °C Ключевые слова: газификация, температурный режим, окислитель, опилки, псевдоожиженный слой, горючий газ
----------------------□ □-------------------------
УДК 662.76
визначення умов проходження пароповітряної газифікації ТИРСИ В псевдо-
зРІДЖЕНОМу ШАРІ
О. Г. Орайло
Інженер І категорії*
E-mail:olja_orajlo@ukr.net
В. В. Собчен ко
Кандидат технічних наук, заступник директора*
О. А. Негода
Інженер І категорії* *Інститут газу НАН України вул. Дегтярівська, 39, м. Київ, Україна, 03113
1. Вступ
За оцінками фахівців в області лісопромисловості протягом року від усіх видів лісопереробки утворюється близько 200 тисяч тонн тирси. Ще близько 120 тисяч тонн - це так звана біомаса (гілки, хмиз, пошкоджена деревина, кора, листя, а також кукурудзяне бадилля, солома та інша органіка), що утворюється на місцях лісосік тощо і, як правило, просто перегниває.
На багатьох підприємствах актуальним є використання альтернативних видів палива, як приклад тирси, значно заощаджує витрати на опалення. Для деревопереробних підприємств використання тирси є не тільки засобом утилізації відходів, але й заощадженням на палеві. Завдяки чому популярність переробки тирси зростає з року в рік, не тільки в промисловості, але і серед власників приватної власності.
Одним з раціональних способів утилізації і отримання якісного горючого газу з тирси є пароповітряна газифікація в псевдозрідженому шарі.
Метою роботи є підвищення якості отриманого горючого газу шляхом визначення основних умов проходження процесу, а саме - температурного режиму і співвідношення окисника - тирси.
2. Аналіз літературних даних і постановка проблеми
Газифікація є одним з найбільш дешевих та екобез-печних способів отримання електричної та теплової
енергії. З екологічної точки зору головною перевагою газифікації твердого палива є низький рівень негативного впливу на навколишнє середовище. При газифікації відсоток палива, що не згорає, значно менший ніж при прямому спалюванні.
Процес газифікації залежить від ряду факторів -температури, складу суміші, що використовується для дуття, дисперсності палива, властивості його взаємодії з газами (реакційні властивості), згорання палива, плавлення золи, розподілення дуття, концентрація реагуючих речовин, стабільність режимів та ін.
Парокисневий газ утворюється при подачі в газогенератор кисню з додаванням пари. Пара вводиться для зниження температури в газогенераторі та отримання водню. При газифікації під високим тиском 2,0 - 2,5 МПа на парокисневому дутті отримують газ з великим вмістом метану та високою теплотвірною здатністю. Збільшення тиску сприяє утворенню великої кількості СН4 та СН2.
В апаратах з псевдозрідженим (киплячим) шаром газифікація палива відбувається при значеннях температури, менших від температури плавлення золи, а також при сприятливих умовах для тепло- і масообміну (при практично постійній температурі по висоті шару) за рахунок інтенсивного перемішування. Сірка в шарі може зв’язуватись як золою, так і вапном. Порівняно низьке значення температури процесу дозволяє зменшити викиди оксидів азоту, а також сприяє оптимальному сполученню сірки за рахунок додавання вапняку
?n шяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяяш
© о. Г. Орайлсі, В. В. Ссібченксі, о. н. Негода, 201S
(або доломіту). Установки з псевдозрідженим шаром працюють з сухим золовидаленням.
При газифікації дрібнодисперсних матеріалів виникають певні труднощі, оскільки шар палива чинить великий опір руху газів і виникає необхідність в підвищенні тиску дуття, внаслідок чого погіршується розподіл дуття, утворюється шлакування та великий винос дрібних частинок. Аналогічні незручності виникають в випадку розпадання палива при нагріванні [1, 2].
Значну проблему в процесах газифікації складає наявність конденсованого вуглецю, який зазвичай осідає в вигляді сажі на елементах установки для газифікації, внаслідок цього установка може вийти з ладу. З точки зору мінімізації утворення конденсованого вуглецю кращою вважається технологія з використанням водяної пари в якості одного з вихідних компонентів газифікації [3, 4].
Для отримання якісного генераторного газу з тирси необхідно встановити основні умови проходження процесу, а саме - температурний режим і співвідношення окисника - тирси.
3. Фізична модель процесу
Фізична модель процесу газифікації в псевдозрідженому шарі представлена на рис. 1 [5, 6].
Рис. 1. Фізична модель пароповітряної газифікації тирси в псевдозрідженому шарі
При газифікації відбуваються процеси окислення, при якому утворюються СО і СО2, та відновлення. При процесі окислення утворюється пароповітряний газ, за рахунок взаємодії кисню, пари та вуглецю палива. Якщо не враховувати наявність деякої кількості неосновних складових (азот, сірка, інертні гази), в паливі та окиснику, то процес утворення пароповітряного газу описується реакціями представленими на рис. 1.
Гетерогенні реакції можуть відбуватися як на зовнішній поверхні, так і в середині тіла завдяки порам, тріщинам та ін. Встановлено, що з підвищенням інтенсивності протікання гетерогенної реакції, тобто чим вище температура і чим більше реакційна здатність твердого тіла, тим в більшій степені ця реакція
зосереджується на його зовнішній поверхні. І навпаки, чим нижче температура і чим менша реакційна здатність твердого тіла, тим більше реакція проникає в середину [7].
В газогенераторах реакції окислення та в ідновлення відбуваються з великою швидкістю, тому можлива газифікація палива зі значною інтенсивністю. Необхідною умовою для цього є достатньо висока температура в апараті.
4. Математична модель ентальпії утворення та визначення температурного режиму і співвідношення паливо - окисник
Для розрахунків складу продуктів
високотемпературної пароповітряної газифікації тирси була використана автоматизована система термодинамічних розрахунків ТЕРРА [8].
В основі методу розрахунків програми ТЕРРА лежить принцип максимуму ентропії, що відповідає другому закону термодинаміки для будь-якої рівноважної системи незалежно від шляху, по якому система досягала рівноваги.
s=Е 3Рі) • Пі+£ ^
їі + Е S?
де $(Рі) - ентропія і - го компонента газової фази при тому парціальному тиску рі = R0Tni /и, який він буде мати в рівноважному стані; Sl - ентропія конденсованої фази І, що залежить тільки від температури; V - питомий об’єм всієї системи; S? - стандартна ентропія і - го компонента газової фази при температурі Т і тиску 1 фіз.атм.
Sl - ентропія конденсованої фази І , що залежить тільки від температури; V - питомий об’єм всієї; Si0 -стандартна ентропія і-го компоненту газової фази при температурі Т та тиски, рівному 1 фіз.атм [8, 9].
Визначення параметрів рівноважного стану заключається в знаходженні значень всіх залежних змінних, включаючи числа молей компонентів і фаз, при яких величина ентропії досягає максимуму.
Розрахунок складу генераторного газу проводився в температурному режимі t=100-2100 °С та тиску Р=0,1 мПа. Склад деревини, з якої утворено тирсу, приймався наступним: целюлоза (50%), лігнін (25%) та геміцелюлози (25%) [6].
Побудовано графік (рис. 2) залежності концентрацій компонентів утвореного газу від температури. З графіка видно, що в діапазоні температур 1100-2100 °С інтенсивність виділення газових компонентів майже незмінна, окрім цього, спостерігається максимальне виділення СО, Н2 і мінімальне СО2. Тому область 11001300 °С є найбільш вірогідною для газифікації тирси.
Для загальної оцінки витрат енергії є необхідним визначення величин ентропій утворення компонентів реакцій, що відбуваються в процесі газифікації. Тому авторами статті був визначений підхід, що базується на використанні формули Д. И. Менделєєва [10] для розрахунку теплоти згорання речовин. Відповідно
Е
до цієї формули, нижча теплота згорання речовини (враховуючи правило знаків, що приймається при термодинамічних розрахунках) дорівнює:
Цн = -100-(81-СС + 246 х
хСн -26• С0 -6-С№)-4,19 , [кДж/кг].
де Сс, Сн, С0г, CW - масові долі атомів вуглецю, водню, кисню і води.
Виходячи з співвідношень для теплоти згорання:
Цн = ДНвх. -АНвих.,
маємо
AHBHX = AHBX. - QH,
де AHB™. - сума ентальпій впхіднпх речовин, AHBX - сума ентальпій продуктів реакції.
т, С
-•-Н2 -А-Н2О -Х-С(с) -О-СО -*-СО2 -*-"044"
Рис. 2. Криві концентрацій Н2, Н2О, С(с), СО, СО2, СН4 при пароповітряній газифікації тирси в псевдозрідженому шарі (співвідношення тирси, О2 та Н2О — 4/2/3), залежність концентрації х, мас.долі, від температури Т, °С
Таблиця 1
Дані процесу газифікації розраховані при температурі 1100 °С
Співвідношення деревина /О2/Н2О 4/2/2 4/2/3 4/2/4 4/1/3 4/1/4
Кількість деревини на вході, кг/кмоль 634 634 634 634 634
Кількість О2 на вході, кг/кмоль 32 32 32 16 16
Кількість Н2О на вході, кг/кмоль 36 54 72 54 128
Витрати енергії, кДж/кг 3845 4167 3837 3834 3426
Витрати енергії, кВт/год 1,068 1,157 1,066 1,065 0,952
Кількість СО на виході, мас.долі 0,873 0,889 0,868 0,851 0,849
Кількість Н2 на виході, мас.долі 0,057 0,058 0,062 0,061 0,064
Сума кількості СО та Н2 0,93 0,947 0,93 0,912 0,913
Дані процесу газифікації розраховані при температурі 1100 °С представлені в табл. 1.
Виходячи з результатів розрахунків можна зробити висновки, що при додаванні повітря в пароповітряну суміш витрати енергії збільшуються, але якість газу значно покращується. Збільшення концентрації пари в дутті, навпаки, погіршує показники якості газу, але підвищує ККД процесу. Тому співвідношення тирси, кисню та пари як 4/2/2 є найбільш раціональним при пароповітряній газифікації тирси в псевдозрідженому шарі.
5. Висновки
При температурах вище 1300 °С показники витрат окисника збільшуються, що негативно впливає як на якість отриманого генераторного газу, так і на ККД процесу. Тому газифікацію тирси слід проводити в діапазоні температур 1100-1300 °С.
Найбільш раціональне співвідношення тирси, кисню та пари - 4/2/2.
Література
1. Higman, C. Gasification [Текст] / C. Higman, M. Burht. -Elsevier Science, 2003. - 391c.
2. Wiemer, А. W. Modeling a Low pressure steam-oxygen fluidized bed coal gasifying reactor chem [Текст] / А. W. Wiemer, D. E. Clough. // Eng. Sei - 1981. - №3 (36). -p.p. 549-567.
3. Жовтянський, В.А. Стратегія енергозбереження в Україні: Аналітично - довідкові матеріали в 2-х томах: Загальні засади енергозбереження [Текст] / В. А. Жовтянський, М. М. Кулик, Б. С. Стогній. - К.: Академнеріодика, 2006. - Т.1. - 510с.
4. Rajan, R.R. А compuhensive model for fluidized bed coal combustors [Текст] / R.R. Rajan, C.Y. Wen. // АIchE Lj
- 1980. - №4 (26). - p.p. 642-655.
5. Канторович, В.Б. Основы теории горения и газификации твёрдого топлива [Текст] / В.Б. Канторович. - М: Металлургиздат, 1960. - 350 с.
6. Basu, P. Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory [Текст] / P. Basu. - Elsevier Science, 2010. - 376 c.
7. Bukur, А. Аmundson. Fluidized bed char combustion limited models [Текст] / А. Bukur // Chem. Eng. Sei - 1981.
- №5. - pp. 1239-1256.
В. Трусов, Б.Г. Программная система Terra для моделирования фазовых и химических равновесий: труды XIV межд. Конф. но химической термодинамике [Текст] / Б.Г. Трусов. - М: СПб, 2002. - 483 с.
9. Chen, T.P. Mathematical modeling of cold combustion in flindized beds with sulphur emission control by limestone or dolomite [Текст] / T.P. Chen, S. C. Soxena. // Fuel, 1977. - v. 56. - pp. 401-413.
10. Равич, М.Б. Эффективность использования топлива [Текст] / М.Б. Равич. - М: Наука,1977. - 344 с.
2Я
