CC BY
50ВОЗДУШНАЯ КОНВЕРСИЯ ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ В РЕАКТОРЕ СМЕШЕНИЯ
Гончаров1'2 Е.А. студент, Кислое1 В.М., Глазов2 С.В., Салганская2 М.В.
1- МГУ, Москва 2 - ИПХФ РАН, Черноголовка, vmkislov@icp. ac. ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2018-10023
Введение
При газификации твердых топлив органического происхождения продукты газификации, кроме горючих газообразных компонентов (в основном СО, Н1), содержат большое количество жидких продуктов пиролиза (пиролизных смол). Из-за способности конденсироваться смолы представляют угрозу для турбин и двигателей, так как могут замедлять или полностью блокировать их работу.
Таким образом, поиск методов, которые позволили бы конвертировать низкокачественный продукт-газ с высоким содержанием пиролизных смол в бессмольный синтез-газ, который далее может быть использован как для выработки электрической энергии (например, с помощью газопоршневых двигателей), так и в качестве сырья для синтеза химических продуктов, представляется весьма актуальной задачей.
В связи с вышесказанным нами было проведено исследование процесса окислительной конверсии продуктов газификации древесины в проточном реакторе смешения.
Экспериментальная установка
Эксперименты по изучению термической конверсии продуктов газификации проводили на установке, состоящей из кварцевого газификатора диаметром 115 мм и проточного смесительного конвертора диаметром 45 мм. Схема установки представлена на рис. 1. Газификацию древесины осуществляли в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, что обеспечивало максимальное количество пиролизных смол в продуктах газификации. Продуктом воздушной газификации различных смесей древесины и крошки шамотного кирпича являлся горючий аэрозоль, состоящий из газообразных продуктов, пиролизных смол (примерно 420 г/м3) и воды (примерно 250 г/м3). Аэрозоль направляли в конвертор, представляющий собой проточный реактор смешения, где при подаче воздуха происходило парциальное окисление содержащихся в продуктах газификации смол и превращение их в горючий газ.
Результаты
На рис. 2 приведены результаты термодинамического расчета равновесного состава и температуры конверсии аэрозоля газификации древесины в адиабатических условиях при различном количестве подаваемого воздуха ( J -коэффициент избытка воздуха, J = 1 - полное сгорание продуктов). Расчет
показывает, что минимальный расход воздуха, при котором должна осуществляться полная конверсия пиролизных смол в горючий газ соответствует примерно коэффициенту /=0.45. С увеличением расхода воздуха происходит избыточное окисление горючих газообразных компонентов. В частности, при увеличении расхода до / = 0.67 содержание СО снижается с 12.8 до 8.6%, а содержание водорода с 9.1 до 2.8%, за счет чего температура продуктов конверсии увеличивается с 1172 до 1544оС.
Рис. 1. Схема лабораторной установки для изучения конверсии продуктов газификации: 1.
газификатор; 2. теплоотражающий экран; 3. электроспираль; 4. пробоотборники; 5. конвертор; 6. воздуховод; 7. электроспираль прогрева конвертора; 8. термопары; 9. охладитель продуктов конверсии; 10. исходное топливо; 11. зона горения; 12.
золный остаток.
С, % 15
С02 СО
1800 Т, 0С 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Рис. 2. Термодинамический расчет равновесного состава газообразных продуктов и температуры в зависимости от расхода воздуха на конверсию продуктов газификации
древесины.
Т
0
н
5
0
J
Эксперименты по конверсии продуктов газификации смесей с содержанием древесины 50 и 67 % показали качественно схожие результаты: с увеличением количества подаваемого воздуха температура конверсии возрастала, а содержание горючих компонентов (СО и Н2) в продуктах конверсии снижалось (рис. 3). В проведенных экспериментах содержание СО в продуктах конверсии было несколько выше, а водорода примерно в два раза
49
ниже, чем в расчете, что являлось результатом относительно высоких теплопотерь. Температура конверсии была на 400-500оС ниже расчетной (740оС при / = 0.3 и 1030оС при / = 0.8), а при полном сгорании аэрозоля (/ = 1) составляла всего 1140оС. Другим отличием результатов экспериментов от расчетных данных является меньшая степень конверсии смол. В экспериментах смолы полностью превращались в газообразные продукты только при / = 0.8, то есть вблизи границы полного сгорания продуктов газификации (рис. 4). Теплота сгорания газообразных продуктов при этом составляла 1-2 МДж/м3. Достаточно высокая степень конверсии (У = 80%) при относительно высокой теплоте сгорания продуктов (2.5-4.0 МДж/м3) достигалась при I = 0.5.
Рис. 3. Состав продуктов конверсии и Рис. 4. Зависимость теплоты сгорания
температура при различном расходе воздуха продуктов конверсии (1 и 2) и степени на конверсию для смесей с содержанием конверсии смол (3 и 4) от расхода
древесины 67%. подаваемого воздуха для смесей с
различным содержанием древесины:
1 и 3 - содержание древесины 50%;
2 и 4 - содержание древесины 67%.
Заключение
Проведенные расчеты показывают перспективность процесса окислительной конверсии в проточном реакторе смешения для преобразования смол термического разложения, содержащихся в продуктах газификации твердых топлив.
Эксперименты по окислительной конверсии продуктов газификации древесины в проточном реакторе смешения качественно подтвердили данные расчетов. Количество пиролизных смол после окислительной конверсии действительно резко снижалось. Однако, вследствие относительно высоких теплопотерь конверсия пиролизных смол проходила не полностью и в оптимальном по расчетам режиме составляла 70-80%.
Работа выполнена по теме Государственного задания, № гос. регистрации 01201361842, а также при частичной поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 31 "Фундаментальные исследования процессов горения и взрыва".
