Математическое моделирование газификации жидкого продукта контактного пиролиза древесины

УДК 684.4.05

Д. В. Тунцев, Р. Г. Сафин, А. М. Касимов,

Р. Г. Хисматов, И. С. Романчева, А. С. Савельев

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОГО ПРОДУКТА КОНТАКТНОГО ПИРОЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ

Ключевые слова: отходы лесного комплекса, пиролизная жидкость, газификация древесного пиротоплива, генераторный газ.

Разработано математическая модель процесса газификации жидкого продукта контактного пиролиза отходов деревообработки. Представленная математическая модель позволяет определить влияние режимных параметров на тепловые характеристики газогенератора.

Keywords: waste wood complex, liquidpyrolysis, gasification wood biofuel, producer gas.

Mathematical model of the process of gasification of liquid products of wood wastes contact pyrolysis has been developed. The model allows defining the influence of operating conditions to thermal characteristics of gasifier.

Основным способом, экологически чистой, утилизации отходов лесного комплекса на сегодняшней день является его термохимическая переработка[1]. Среди термохимических способов наиболее эффективным методом переработки отходов древесной промышленности с получением жидких, твердых и газообразных топлив следует отметит быстрый контактный пиролиз. Целевым и полезным продуктом контактного пиролиза растительной биомассы является пиролизная жидкость [2].

Для рентабельного использования пиролизной жидкости в электроэнергетических целях применяется газификация с получением высококалорийного топливного газа [3].

Процесс газификации жидких продуктов быстрого контактного пиролиза древесины осуществляется в факеле при температуре 1000 -12000С и давлении 100 - 300 кПа внутри стального реактора, футерованного огнеупорными материалами. Жидкое топливо и кислород подаются в реактор через форсунку, где происходит распыление жидкого топлива на мельчайшие капли и смешение их с окислителем. Капли топлива испаряются в атмосфере горячего газа и взаимодействуют с кислородом, образуя факел. Процесс газообразования осуществляется при недостатке кислорода с образованием генераторного газа [4].

Процессы термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её газификации можно представить в виде следующих технологических стадий (рис. 1) [5]:

- быстрый контактный пиролиз древесины;

- газификация пиролизной жидкости в распылённом факеле.

В качестве окислителя служит кислород. Полученный газ на 90 % (в пересчете на сухой газ) состоит из окиси углерода и водорода. В нем содержатся также двуокись углерода и метана. Процесс ведется в автотермичных условиях; тепло получается за счет экзотермических реакций газификации с образованием окиси и двуокиси углерода [6].

Выбор режима газификации жидкого топлива определяется не столько условиями термодинамического равновесия, сколько техническими возможностями ведения процесса.

Учитывая сложность процессов газификации пиролизной жидкости необходимо принять следующие предположения [7]:

1) Предполагаем, что при газификации пиролизной жидкости время взаимодействия реагирующих веществ является достаточным для достижения химического равновесия.

2) Учитываем, что в процессе газификации, весь углерод в жидком топливе газифицируется и, следовательно, исключаем образование полукокса.

3) Полагаем, что реактор для газификации жидкого топлива работает в адиабатических условиях [8].

4) Полагаем, что общая реакция кислородной газификации пиролизной жидкости имеет вид:

СНХОУ + т (О2) = пН2Н2 + ПсоСО +

ПС02СО2 +ПСН4СН4, где х,у - число атомов водорода, кислорода при содержании в исходном сырье одного атома углерода; т - количество кислорода (кмоль) в исходном сырье; п1 - количество молей видов 1.

5) Технологический расчет, определяющий расход кислорода на газификацию выход и состав газа на 1 кг пиролизной жидкости, сводится, таким образом, к следующему.

Для определения углерода, участвующего в процессе кислородной газификации с образованием СО и СО2, следует из углерода топлива вычесть углерод, перешедший в сажу

Количество водорода сырья, участвующего в процессе газификации, определяется по уравнению:

Н'= Н - 0,00134

где 0,00134 - количество водорода, переходящее в СН4.

Рис. 1 - Схема процессов термической переработки древесины с образованием пиролизной жидкости и газификация пиролизной жидкости

Выход отдельных компонентов

генераторного газа определяется по уравнениям, приведенным в табл. 1.

Таблица 1 - Материальный баланс для расчета кислородной газификации пиролизной жидкости

Компоненты Объем, м3на 1 кг пиролизной жидкости

исходные компоненты конвертированный газ

О2 0,935 С + б -

СО - 1,867 С

СО2 1,867 С в

Н2 11,2 Н + 1,867С в

- 2б

СН4 _ 0,015

Тепловой баланс процесса газификации описывается уравнением:

Qн + qт + q0г = 1867с '(1 - ф)(12600 +12сго) + +(11,2Н' + 1,867С ф - 2^)(11100 +12Cн 2) + (1'3) +1,867с ,фt 2Cсo2+qс+q

где qc - теплота сгорания или энтальпия метана, рассчитанная по уравнению:

дс= 1347 + 0,0050н

6) Для процессов газификации, протекающих при любых температуре, давлении и составе дутья, можно исходить из того предположения, что состав получаемого газа в этих процессах удовлетворительно определяется равновесием реакций:

СО + 2Н2 = СН4 + СО 2,

СО 2 + Н2 = СО + Н2 О.

Реакции непосредственного взаимодействия жидких топлив с кислородным и водяным паром изучены недостаточно. В остальном газификация жидких топлив описывается такими же реакциями, что и газификация твердых топлив, и к ним применимы все данные о химическом равновесии процессов газификации твердых топлив.

Для разработки математической модели газификации капли пиролизной жидкости с учетом принятых допущений, согласно которым физико-химическую картину процесса газификации капли пиролизной жидкости состоит из стадии:

1) распыливание пиролизной жидкости;

2) термическое разложение пиролизной жидкости.

Расход пиролизной жидкости через форсунки определяется по выражению:

<3ж = РЖ

расх

2АР

Рж

где коэффициент расхода Ррасх для условий

гидравлического распыливания пиролизной жидкости через цилиндрическое сопло определяется по выражению:

(

расх

1,23 +

Ж

Reн d,

с

При гидравлическом распыливании средний диаметр капли пиролизной жидкости можно определить эмпирическим соотношением:

d = Ш -0,2661р -0,0733^

где критерий Вебера и Лапласа определяются соответственно соотношениями:

Р

Же = -а-,

Ьр =

а

°РжиЛ

Ржид

Корневой угол факела для гидравлического распыливания струи можно определить соотношением [8]:

V 2 / ржид

В стадии газификации пиролизной жидкости происходит нагрев капли и испарение летучих компонентов с её поверхности. Принимаем,

что лимитирующей стадией процесса газификации пиролизной жидкости является процесс термического разложения, а процесс термического разложения является одностадийной химической реакцией с переменной скоростью.

Изменение концентрации веществ при термическом разложении пиролизной жидкости можно определить с помощью дифференциальных выражений:

др

дг

дйпгс

дг

дйкс

дг

— ЪРпж/ипош'

— У -Кйпж!и

пж пот •>

(1—У УбРпЖ1ип

Коэффициент скорости химической реакции определяется по закону Аррениуса:

Е6

к — к еКТ Л6 Л06е

Значение кинетических констант определяются экспериментально методом термического анализа пиролизной жидкости.

Изменение температуры капли по длине газогенератора определялось на основании предположения идеального вытеснения и сферической формы капли:

дТ 1 д 2 х дТ

д£ У ПОТ Т£ксркс +сюкрпж)х2дх\ дх1

иПОтТ£кСРКС __ 0прюк)

Коэффициент теплопроводности капли пиролизной жидкости можно представить:

2к — К.

Рп р

гпж

пж I 2

ж 0 уг

Р

уг

Р0

пж

Изменение внутренней энергии локального объема капли за счет термических эффектов химических реакций термического разложения пиролизной жидкости представляем по выражению:

о дрпж КИ

^реак-^д^ ^"'реак

Поток парогазовой смеси от поверхности капли, характеризующий процесс термического разложения пиролизной жидкости, определяется по выражению:

ип

я

дРп

тпгс - яг 1 г2 от.

я 0

дг

Скорость потока газовой среды, с которой капля пиролизной жидкости перемещается по длине газогенератора, определяется по выражению:

и —

1-1пот

— ^кис _ ТПГС

^к.с. XР

Суммарный поток парогазовой смеси во всех зонах, предшествующей расчетной, определяется по выражению:

Т ПГС

— | -^ПГС 0

Дифференциальное уравнение температуры в газогенераторе при термическом разложении пиролизной жидкости можно записать в виде:

ОТг_ ] ПГС -КИ • /п

сг • рг • и

ггп

С целью решения поставленной задачи сформулируем начальные и граничные условия для уравнений (1.22) - (1.28) в виде [10]: Начальные условия:

Т(г—0,Г)— Т , 4 ' 0

Тг (г — 0) — Твозд,

руг (г — 0, г ) — 0,

рпгс (г — 0, Г) — Граничные условия:

— 2

дТ_ дг

— Ч

муф'

—2 дТ

пж ~

дг

— 0.

Для экспериментального исследования процессов газификации жидких продуктов быстрого контактного пиролиза древесины был разработан экспериментальный стенд (рис. 2.)[11].

Экспериментальный стенд функционирует следующим образом: пиротопливо из расходного резервуара 3, где температура доводится до 70 0С, что необходимо для его тонкого распыления в форсунке печи через расходомер 13, при помощи насоса 12 нагнетается в форсунку печи 2. Туда же подается кислород из баллона 7. Печь для газификации жидкого топлива представляет собой печь, футерованная изнутри огнеупорным кирпичом. Нагревание печи осуществляется с помощью нагревателей 5 регулируемого с блока 6.

я

0

Рис. 2 - Схема экспериментального стенда для исследования процессов газификации жидких продуктов быстрого контактного пиролиза древесины: 1 - печь для газификации пиролизной жидкости, 2 - форсунка, 3 - приемный резервуар, 4 - термопары, 5 - нагреватели, 6 - блок для регулирования нагревания печки, 7 -кислородный баллон, 8 - редуктор, 9 - запорный клапан, 10 - манометр, 11 - ротаметр, 12 -расходомер, 13 - насос, 14 - теплообменник, 15 -факел, 16 - скруббер, 17 - рукавный фильтр

В печь установлены четыре термопары 4 для измерения температуры генераторного газа в разных областях. Физическое тепло газа, выходящего из печи, используется для нагревания воды в теплообменнике 14 для выработки водяного пара, используемого для подогрева пиролизной жидкости. Далее газ охлаждается в полом скруббере 16. При этом основная масса получаемой в процессе сажи, выделяется из газа, и отводиться с водой из скруббера. Оставшаяся часть сажи удаляется в рукавном фильтре 17. После очистки генераторный газ направляется на газоанализатор.

Проводились экспериментальные

исследования, в результате которых были получены данные о термическом разложении пиролизной жидкости.

С целью проверки адекватности составленной математической модели процесса газификации пиролизной жидкости проводилось сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических расчетов (рис. 3).

250

500 750 Время, мс

1000 1250

Рис. 3 - Сопоставление расчетных (сплошная линия) и экспериментальных (окружности) данных при термическом разложении пиролизной жидкости

На рис. 3 представлено сопоставление расчетных данных с экспериментальными. Экспериментальные данные получены путем термического анализа, а расчетные с помощью дифференциального уравнения формальной химической кинетики третьего порядка. Расхождение экспериментальных данных с расчетными составило не более 10%.

Выполнено математическое моделирование процесса газификации жидких продуктов контактного пиролиза отходов лесного комплекса на основе физическо - химической картине процессов двух этапного термического разложения древесины с принятием некоторых допущений. Согласно с физико-химической картиной, процесс газификации пиролизной жидкости состоит из стадий: распыливание и термического разложения пиролизной жидкости. В процессе

экспериментального исследования были получены данные о термическом разложении пиролизной жидкости и на основании разработанной математической модели процессов газификации пиролизной жидкости проводились сравнения полученных результатов на адекватность.

Обозначения: 5 - объем кислорода, израсходованного на сжигание водорода, м3; в - степень паровой конверсии СО с образованием Н2 и С02; <3Н -теплота сгорания пиролизной жидкости, кДж / кг; Чт -количество тепла, вводимое с пиролизной жидкостью в

реактор, кДж / кг; q - количество тепла, вводимое с

102

кислородом в реактор, кДж / кг; 12 - температура на вых°де из реаетора 0С; 12Ссо, х2Сн^ 12Ссо2 - средняя

теплоемкость компонентов при постоянных давлении и температуре на выходе из реактора, кДж / (м3-0С); q -потери тепла в окружающую среду, кДж; С -теплоёмкость коксовой частицы, Дж/кг К; р - парциальная плотность коксовой частицы, м3/кг; Х- коэффициент теплопередачи пиролизной жидкости, Вт/(м-К); Q -теплота горение, Дж; х - координата по капле, м; У - доля парогазовой смеси; к - константа скорости химической реакции, с-1; О - расход, м3/ч; АН - теплота химической реакции, Дж; f - удельная площадь м2/м3; а -поверхностное натяжение, мН/м; и - скорость м/с.

Индексы: кс-коксовая частица, пж - пиролизная жидкость, гор - горение, уг - уголь, ПГС - парогазовая смесь, возд - воздух, реак - химическая реакция, кис -кислород.

Литература

1. Сафин Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов [Текст] / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, ИИ Хуснуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 16. - № 14.

- С. 181 - 182.

2. Тунцев, Д.В. Пиротопливо - продукт быстрого пиролиза растительной биомассы / Тунцев Д.В., Филлипова Ф.М., Хисматов Р.Г., Тимербаев Н.Ф. // Журнал прикладной химии, г. Санкт - Петербург. -2014. -Т. - 18. № 9. - С. 1381.

3. Тимербаев, Н.Ф. Технологии газификации древесины: перспективы и инновации [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, И.Н Ковернинский, Л.Р. Смирнова, Т.Х. Галеев, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 15. - № 15.

- С. 221 - 226.

0

4. Исмагилова, Л.М. Математическое описание стадии пиролиза с кондуктивным подводом тепла при газификации древесного сырья [Текст] /Л.М. Исмагилова, А.Р. Садтрдинов// Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. -2014. - № 5-4. - С.115 - 119.

5. Сафин, Р.Г. Разработка технологии переработки высоковлажных древесных отходов в высокооктановые компоненты моторного топлива [Текст] / Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садтрдинов, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. -2013. - Т. 16. - № 7. - С. 250 - 254.

6. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопереработки, содержащих токсичные вещества [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Сатарова // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - № 4. - С. 79 - 84.

7. Тунцев, Д.В. Термическая переработка биомассы лигнина [Текст] / Д.В. Тунцев, А.Р. Арсланова, И.С. Романчева, А.С. Савельев, С.В. Китаев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 5 - 4. - С. 344 - 348.

8. Тунцев, Д.В. Разработка комплексной технологии термохимической переработки древесных отходов

[Текст] / Д.В. Тунцев, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - № 4. - С. 50 - 55.

9. Тунцев, Д.В. Совершенствование технологии и оборудования процесса термического разложения в кипящем слое [Текст]: дис. ...тех. наук / Д.В. Тунцев; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань. - 2011. - С. 189.

10. Забелкин, С.А. Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование [Текст]: дис. .тех. наук / С.А. Забелкин; Казан. нац. исслед. технол. ун-т. - Казань. - 2011. - С. 183.

11. Тунцев, Д.В. Результаты экспериментального исследования процесса газификации жидкого продукта быстрого пиролиза древесных отходов лесной промышленности [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - Т. 2. - № 5-4. - С. 352356.

© Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; Р. Г. Сафин - д.т.н. профессор, зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; А. М. Касимов - аспирант кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, kasim.91@inbox.ru; Р.Г. Хисматов - к.т.н. доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, xp8519@gmail. com; И. С. Романчева - студент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, romancheva.irina@ inbox.ru; А. С. Савельев - студент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, sowells@ mail.ru.

© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNITU, tuncev_d@mail.ru; R. G. Safin - doctor of engineering, professor of processing of wood materials KNITU, safin@kstu.ru; А. M. Kasimov - graduate student of processing of wood materials KNITU, kasim.91@inbox.ru; R. G. Hismatov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNITU, xp8519@gmail. com; 1 S. Romancheva - student of the chair processing of wood materials KNITU, romancheva.irina@ inbox.ru; А. S. Sowells - student of the chair processing of wood materials KNITU, sowells@ mail.ru.