Исследование восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов

УДК 66-97

Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, З. Г. Саттарова,

Д. А. Ахметова

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ЗОНЫ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

Ключевые слова: древесные отходы, методы утилизации, газификация, восстановительная зона,

математическое описание.

Проведен анализ современного состояние исследований восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов. Проведена серия экспериментов для исследования влияния различных факторов на параметры процесса газификации. На основе полученных экспериментальных данных разработано математическое описание процесса.

Keywords: a wood waste, recycling methods, gasification, a regenerative zone, the mathematical description.

The analysis modern a condition of researches of a regenerative zone ofprocess of gasification of a wood waste is carried out. A series of experiments for research of influence of various factors on parameters of process of gasification is conducted. On the basis of the received experimental data the mathematical description of process is developed

Развитие промышленности сопровождается увеличением отрицательного воздействия на природу и человека. Разнообразные токсичные вещества, образующиеся на стадии производства, в виде отходов длительное время сохраняются, накапливаются, мигрируют и трансформируются. Особенно это относится к органическим отходам, количество которых неуклонно растет по мере развития промышленности. В последние десятилетия пришло понимание о необходимости преобразования всей сферы обработки отходов, начали проводиться исследования по обезвреживанию и вторичному использованию отходов.

Проблема переработки и утилизации отходов в Республике Татарстан (РТ) является одной из наиболее актуальных. По различным оценкам, на ее территории ежегодно образуется свыше 3 млн. тонн твердых отходов производства (макулатура, полимерные материалы, изношенные шины, отработанные нефтепродукты, отходы древесины, металлы и др.). Низкий уровень технологий позволяет перерабатывать и использовать лишь несколько десятков наименований отходов.

Одним из перспективных направлений является переработка древесных отходов. Республика Татарстан имеет крупные, средние и мелкие деревообрабатывающие предприятия, на которых ежегодно образуются более 600 тыс. м3 древесных отходов [1, 2,3].

В настоящее время в мировой промышленной практике используются различные конструкции и технологические схемы переработки древесных отходов, конструктивные особенности которых определяются параметрами отходов и национальными требованиями к охране природной среды [4, 5].

Одним из наиболее перспективных термических методов переработки отходов является газификация.

Газификация является высокотемпературным термохимическим процессом взаимодействия органической массы с газифицирующими агентами, в результате чего образуются горючие газы. В зависимости от способа подвода теплоты, необходимой для газификации, различают автотермичекий и аллотермический методы газификации. В наиболее распространенных на практике автотермических газогенераторах теплота необходимая для осуществления процесса, выделяется в результате сгорания части топлива внутри самого газогенератора

Аллотермический способ получения горючих газов основан на подводе теплоты в зону пиролиза и газификации, или через твердую стенку газогенератора, или путем нагрева

частиц исходного топлива внутри газогенератора за счет какого-либо внешнего жидкого или газообразного теплоносителя.

Образующийся генераторный газ может иметь теплоту сгорания от 4 до 15 МДж/м3, в зависимости от состава топлива, окислительной среды и влажности исходного топлива.

Газогенераторы классифицируются: по характеру слоя — газогенераторы с плотным слоем, со взвешенным слоем, с «кипящим» слоем; по давлению, при котором протекает газогенераторный процесс, — атмосферные газогенераторы, газогенераторы высокого давления.

В зависимости от способа газообразования газогенераторы слоевого типа подразделяются на три типа:

а) газогенераторы прямого процесса газификации;

б) газогенераторы обращенного (обратного) процесса газификации;

в) газогенераторы поперечного процесса газификации.

В газогенераторах прямого процесса газификации подача воздуха осуществляется снизу (обычно через колосниковую решетку), а газ отбирается сверху. Непосредственно над решеткой расположена зона горения, или кислородная зона, в которой происходят окислительные процессы. За счет выделяемого при этом тепла температура в зоне горения достигает 1300—1700°С. Над кислородной зоной находится зона восстановления. Так как восстановительные реакции протекают с поглощением тепла, то температура в зоне восстановления понижается до 700—900 оС.

Выше активной зоны располагаются зона сухой перегонки и зона подсушки топлива. Эти зоны обогреваются теплом, излучаемым топливом активной зоны, а также физическим теплом проходящих через них газов. Температура в зоне сухой перегонки составляет 450— 200°С, а в зоне подсушки 200—100 оС. Выделяющиеся в этих зонах влага топлива и летучие, включая смолы, смешиваются с генераторным газом, выходящим из активной зоны, и вместе с ним отсасываются через газоотборный патрубок.

Основным преимуществом газогенераторов прямого процесса газификации является возможность газифицировать в них высокозольные шлакующиеся сорта топлив, не содержащие смол. В этом типе газогенераторов влага топлива не попадает в зону горения, поэтому воду подводят в нее специально, путем предварительного испарения и смешения с поступающим в газогенератор воздухом. Водяные пары, реагируя с углеродом топлива, обогащают генераторный газ образующимся при этом водородом, что повышает теплотворную способность синтез-газа.

Топливо с большим содержанием летучих газифицируют в газогенераторах не прямого, а обращенного процесса газификации. В этом типе газогенераторов воздух подается в среднюю по его высоте часть, в которой и происходит процесс горения летучих продуктов образованных в зоне сухой перегонки. Активная зона занимает часть газогенератора от места подвода воздуха до колосниковой решетки, ниже которой расположен зольник с газоотборным патрубком. Зона сухой перегонки и зона подсушки располагаются выше активной зоны, и влага топлива и летучие не могут выйти из газогенератора, минуя активную зону. Проходя через зону с высокой температурой, продукты сухой перегонки подвергаются разложению, в результате чего количество смол в выходящем из генератора газе резко падает.

В газогенераторе поперечного процесса газификации воздух подводится через фурму, расположенную сбоку в нижней части газогенератора. Газоотборная решетка расположена с противоположной стороны — со стороны газоотборного патрубка. Активная зона сосредоточена на небольшом пространстве между концом фурмы и газоотборной решеткой. Над ней располагаются зона сухой перегонки и выше — зона подсушки топлива. Этот тип газогенераторов, так же как и газогенераторы прямого процесса, непригодны для газификации топлив с большим содержанием летучих, так как он не может обеспечить образования бессмольного газа.

Во всех типах слоевых газификаторов присутствует восстановительная зона, в которой образуется основное количество горючих компонентов синтез-газа. Большая часть химических реакций протекающих в восстановительной зоне являются эндотеримческими, соответственно эта зона является основным потребителем энергии в газификаторе. Гетерогенные восстановительные реакции протекают на поверхности угольных частиц находящихся в восстановительной зоне.

Так как уголь представляет собой пористое тело, которое в результате гетерогенных реакций изменяет свою структуру и свойства, стадия восстановления является сложной совокупностью взаимосвязанных физико-химических процессов теплообмена и массопереноса продуктов реагирования и химических реакций.

Зона восстановления характеризуется протеканием следующих видов реакций:

2С + О2 = 2СО

С + СО2 = 2СО

С + Н2О = СО + Н2

С + 2Н2 = СН4

СО + Н2О = СО2 + Н2

Для физического моделирования и исследования гетерогенных химических реакций протекающих в восстановительной зоне реактора газификации разработана и создана экспериментальная установка схема которой представлена на рис 1.

Экспериментальная установка состоит из загрузочного бункера 26, реактора 28, изолированных друг от друга шлюзовым питателем 27, системы подачи газов 11.

Измерение параметров и управление процессами экспериментальной установки осуществляется с помощью датчиков температур, устройств для определения расхода газов, редукторов давления, запорно-регуляторной арматурой. Регистрация данных со всех датчиков и устройств осуществляется системой сбора и хранения информации, которая состоит и компьютера 2 и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 1, газоанализатора 3, калориметрической бомбы 45.

Реактор 28 состоит из: камеры 30 с патрубками 42, которые расположены на равном удалении друг от друга и предназначены для установки термопар и отбора проб газоанализатором 3; колосниковой решетки 38, золосборника 40 с крышкой 41 для выгрузки золы, тензометрического датчика 39 для определения изменения массы, патрубка для подачи газов 24 и патрубка для отвода синтез-газа 37.

Камера 30 состоит из наружной 31 и внутренней 32 цилиндрической обечайки, между которыми установлен нагревательный элемент 33. Температура нагревательного элемента регулируется с помочью регулятора температур 34.

Система подачи газов 11 представляет собой систему баллонов с газами 13 (СО), 15 (Н2), 17 (СН4), 18 (Н2О), 20 (СО2), откуда газ определенного давления и состава через редукторы 12, 21 и расходомеры 10, 23 подается в нагревательный элемент 4. Объем подаваемого в нагревательный элемент газа регулируется расходомером 7 и запорным механизмом 6. Температура нагревательного элемента регулируется с помочью регулятора температур 5. Нагретый до температуры 400-1200 0С газ направляется в реактор 28.

Давление внутри реактора 28 определяется датчиком давления 29. Отходящий через патрубок 37 синтез-газ частично подается в пробоотборник (35), частично выбрасывается в атмосферу.

Отобранный из пробоотборника 35 газ для исследования теплотворной способности направляется в калориметрическую бомбу 43.

Изменение массы материала по мере его реагирования фиксируется с помощью тензометрического датчика 39. Непрерывно регистрируемое изменение массы образца в течении опыта позволяет определить закономерности кинетики процесса термического

разложения. Образовавшийся после реагирования газ выводится через патрубок 37. Количество образовавшегося газа измеряется с помощью расходомера 36. Часть образовавшегося газа забирается через пробоотборник 43. Теплотворная способность образовавшегося газа определяется с помощью калориметрической бомбы 43. Оставшаяся часть образовавшегося газа выбрасывается в атмосферу.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки

Для исследования влияния температура, скорости фильтрации на параметры процесса газификации проведены серии экспериментов.

Первая серия экспериментов была направлена на определение количества образующегося СО от температуры процесса. Из рис. 2 видно, что с увеличением температуры количество образованного СО возрастает. Увеличение образования СО связано с увеличением температуры в зоне восстановления и как следствие смещением равновесия в сторону образования СО и увеличением скорости восстановительных реакций, что в свою очередь приводит к уменьшению СО2.

600 700 800 900 1000 Т,С

—СО

Рис. 2 - Зависимость образования СО от температуры

Во второй серии экспериментов исследовалось влияние скорости фильтрация газа через слой угля в восстановительной зоне на количество образования СО. Результаты этих экспериментов приведены на рис. 3. Анализ данного рисунка показывает, что с увеличением скорости фильтрации концентрация СО возрастает. Это объясняется тем, что увеличение скорости фильтрации увеличивает скорость протекания реакций по восстановлению СО2. Однако при достижении скорости обдува 7 м/с концентрация СО начинает падать. Это объясняется тем, что с увеличением скорости обдува восстановительные реакции проходят только на поверхности частицы, а не внутри как при низких скоростях фильтрации и увеличивается проскок не восстановившегося СО2.

25 п

Ссо %

20

15

10 -

5 -

0 ^------------,-----------,-----------,-----------,------------,-----------,-----

1 3 5 7 9 11 13 У,[м/с]

-----СО

Рис. 4 - Зависимость концентрации СО от скорости фильтрации

Характерной особенностью современных методов разработки новых технологических схем процесса газификации отходов является широкое применение системного анализа и математического моделирования с целью проведения численных экспериментов как на стадии проектирования с целью сокращения сроков внедрения процессов, так и на стадии эксплуатации для оптимизации технологических режимов [6].

94

Использование математического моделирования в процессе разработки и проектирования оборудования также позволяет решать проблему масштабирования результатов исследований.

На основе полученных экспериментальных данных о кинетике процесса газификации древесных отходов, разработано математическое описание процесса, позволяющее определить его основные характеристики.

Дифференциальные уравнения описывающие сохранение вещества для каждого компонента газового потока в процессе газификации, запишется в виде

а для угля

ЭС . _

wс г---------- = -ki • С|:

с-г Эу i i

Эту ^ .

w-----------— = -m • > к

у я\# у ^ 1

°У m =1

Уравнение сохранения энергии для угля запишется в виде

ЭТ 2

Ру • Су • Wу •^"У = ас-г • (Ту - Тс-г ) • f -Х (^1 • к • (С10 - С)) ,

Эу 1=1

а для газового потока

ЭТ 2

Р с-г • Сс-г • wc-г •"Э^ = -а с-г •

где Ру и рс-г - плотность угля и газового потока соответственно; су и сс-г - теплоемкость угля и газового потока; Wy и Wc-г - скорость продвижения угля и газового потока; ас.г - коэффициент конвективного теплообмена между газом и углем (Вт/(м2-К)); Сю - начальная концентрация ь го вещества; С| - относительное концентрация 1-го вещества; 2 - количество параллельно протекающих реакций; f - удельная поверхность.

Для решения системы уравнений приняты следующие граничные условия:

по температуре:

по массе:

Скорость газового потока в восстановительной зоне определяется по закону Дарси

Л_.(^

^с-г I ^

Давление газового потока определяется из уравнения состояния идеального газа

Рс-г =(х С|^-Р • Тс-г, а плотность газового потока по выражению

Рс-г = ЕМГ С|

Таким образом, в работе рассмотрено современное состояние процесса газификации для переработки отходов. Представлено описание экспериментальной установки для физического моделирования и исследования гетерогенных химических реакций протекающих в восстановительной зоне реактора газификации. Исследовано влияния температуры слоя и скорости фильтрации через слой на параметры процесса газификации. На основе полученных экспериментальных данных разработано математическое описание восстановительной зоны реактора газификации.

Ту = = Т

у1у=0 г1у=0

С'1у=0 =С

ту|у=0 = т у0

w с-г = w у--1^7+ 9 Р с-г

Литература

1. Быстров, А.Ф. Основы для эффективного использования древесных отходов деревообрабатывающего предприятия / А.Ф. Быстров, Э.С. Быстрова // Деревообрабатывающая промышленность. - 1999. -№ 5.

2. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №4. - С. 120-130.

3. Валеев, И.А. Использование древесных отходов в энергетическом хозяйстве [Текст] / В.А. Валеев, Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Р.Р. Хасаншин // Научный потенциал мира: Тезисы докл. Международ. науч.-практич. конф. - Днепропетровск, 2004. - С. 71-75.

4. Тимербаев, Н.Ф. Оптимизация сжигания летучих компонентов топлива [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев // Материалы научно практической конференции «Проблемы использования и воспроизводства лесных ресурсов». - Казань, 2006. - С. 118-119.

5. Рамбуш, Н.Э. Газогенераторы / Н.Э. Рамбуш : перевод с англ. - М.: ГОНТИ, Редкая энергетическая литература, 1939. - 329 с.

6. Тимербаев, Н. Ф. Моделирование процесса сушки древесных частиц при кондуктивном подводе тепла / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14. -№4. - С. 84 - 88.

© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, tnail@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, safin_rg@kstu.ru; З. Г. Сатарова - магистр той же кафедры; Д. А. Ахметова - канд. техн. наук, доц. той же кафеды.