Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов*

Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Г., Хисамеева А.Р., Шулаев М.В., Хузеев М.В.

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОГЕНЕРАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ*

Дан краткий анализ современных возможностей использования биотоплива в качестве дополнительного энергоресурса. Описывается актуальность применения синтез-газа. Представлена усовершенствованная установка газогенератора. Предлагается математическая модель описания процесса газификации, с помощью которой возможно управление его параметрами.

Ключевые слова: древесные отходы, газификация, синтез-газ, моделирование, сушка.

Утилизация древесных отходов - давнишняя российская проблема. Из-за низкого уровня технологических процессов деревообработки процент древесных отходов на предприятиях ЛПК, в зависимости от способа производства, может достигать 60%, в среднем же, по оценкам экспертов, при переработке теряется почти половина биомассы дерева. На стадиях лесозаготовки, лесопиления и деревообработки накапливается огромное количество отходов, при этом три четверти из них приходится на лесопиление. Лишь небольшая часть всех видов отходов используется в энергетических целях, перерабатывается в топливные гранулы и брикеты, все остальное пропадает на лесных делянках и свалках, загрязняя почву продуктами распада древесины.

В настоящее время можно выделить три активно развивающихся направления энергетической переработки древесных отходов - это газификация, пиролиз и прямое сжигание. При проектировании топочных устройств в последние годы все больше находят применение принципы газификации, представляющие собой технологии высокотемпературного окисления древесины с ограниченным доступом воздуха и получением генераторного газа. Химический состав получаемого газа включает инертные (СО2, N2) и горючие (СО, Н2, СН4) компоненты, последующее сжигание которых осуществляется в камере сгорания.

*Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-20132 по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

С целью получения энергии можно использовать для сжигания любые древесные отходы. От того, в каком виде будет использоваться биотопливо, зависит эффективность его горения и стоимость энергии, которая вырабатывается с ее помощью. Наиболее существенным недостатком древесных отходов как топлива является их нестабильное влагосодержа-ние, которое в зависимости от вида колеблется в пределах 12-80%.

Проблема эффективной термической переработки отходов лесозаготовки и деревообработки в энергетический газ заключается в острой необходимости разработки оптимальной техники и технологии газификации древесины. При определенных условиях, таких как нулевая стоимость сырья (например, древесные отходы на деревообрабатывающем предприятии), производство качественного генераторного газа из отходов биомассы может быть более рентабельным, чем их производство из динамично дорожающих традиционных энергоносителей [1].

Газификация - это высокотемпературный термохимический процесс взаимодействия органической массы с газифицирующим агентом, в результате которого образуется смесь различных газов (синтез-газ). Знание факторов, влияющих на процесс газификации, и управление их параметрами позволяет оптимизировать процесс на выход синтез-газа с максимальным содержанием горючих компонентов [2].

В данной статье представлена модель, которая могла бы быть использована при исследовании и оптимизации процесса газификации древесных отходов. Физическое и математическое моделирование способствует раскрытию механизма процесса и нахождению эмпирических коэффициентов. При газификации можно выделить следующие основные стадии: прогрев, сушку, пиролиз, горение продуктов пиролиза и стадию восстановительных процессов образования синтез-газа. Представленная ниже математическая модель описывает эти стадии и учитывает взаимосвязь между ними.

Тепломассоперенос внутри древесных частиц с использованием дифференциального уравнения теплопроводности можно записать в виде

г' дТм

х дх

г ди См дт

где Г-постоянная формы (для шарообразных частиц Г=2); Гм-температура материала, °С; ^-коэффициент температуропроводности, м /с; т-время, с; х-координата, м; г-скрытая теплота парообразования, кДж/кг;

См-теплоемкость материала, кДж/(кг-К); У-влагосодержание, кг/кг. При отсутствии переноса жидкости, когда изменение влагосодержания тела в любой его точке происходит только за счет испарения, коэффициент парообразования £ = 1. Тогда приведенное выше дифференциальное уравнение запишется следующим образом

дТм _ „ Гд2Тм 2 _ дТЛ +г_щди_ дт т У дх2 х дх) см 9т.

В связи с высокой температурой поверхностей нагрева стадия сушки материала является высокотемпературным процессом. Это обуславливает значительное увеличение малярного переноса по отношению к диффузионному, что позволяет пренебречь последним. С учетом принятых допущений дифференциальное уравнение А.В.Лыкова [3] примет вид

ди__кр (д2Р\ дт р0 \дх2)'1

где кр- коэффициент молярного переноса; Р - давление, кПа; р - плотность, кг/м3.

Краевые условия для решения представленных дифференциальных уравнений: при Т< 100°С: 8 = 0 и и (0; т) = ин; при Т> 100°С: 8 = 1 и и (0; т) = икр; Тм( 0; х ) = Тм.нач.; Р (0; х) = Рнач; р(0)=рп.

Граничные условия для решения дифференциальных уравнений теплопроводности могут быть записаны в следующем виде

«• о» - Г) =-л • ^ а-(Г„-Л = -Л —

х=хн

х=хв

где Я - коэффициент теплопроводности, кВт(м-К); ас-г- коэффициент конвективного теплообмена между газом и углем (Вт/(м •К)).

Дифференциальные уравнения изменения парциальных давлений компонентов парогазовой смеси, образовавшихся во время сушки

Мп _ У-ДТ  _ р (Осп _ 1. £П

йт Усв-Цп п Ч7св Т йт)

йт г \Т йт Усв)

Полное давление в смеси по закону Дальтона [4] будет определяться соотношением

р — р + р

гср гг т 1 п

Дифференциальное уравнение изменения температуры парогазовой смеси определим из теплового баланса паровой фазы после некоторых преобразований

— — Г

йт I

аРЯ

РМЧ

_^ +

(Мг^г(СгРг+СпР„) Усв Усв Усв (/ЛгРг+Цп Рг

------л]’Т-

) -I

Частица, достигнув 200°С, начинает термически разлагаться (начало процесса пиролиза), что сопровождается образованием парогазовой смеси и убылью массы.

В данной работе древесина рассматривается как композиционный материал, состоящий из трех главных составляющих: гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина с массовыми долями 30%, 43,6% и 26,4%, соответственно, а процесс пиролиза - как совокупность процессов термического разложения ее основных компонентов [5]. Механизм термического разложения компонентов древесины, представлен на рис 1.

Рис. 1. Механизм термического разложения компонентов древесины

Изменение массы в единице объема исходной древесины для каждого из указанных компонентов, запишется в следующем виде [6]

дт

для гемицеллюлозы:

дтПц

для целлюлозы: —- = —кцтц;

дтт

гц'"-гц> дх

Угц^гц^-гц ^то^Ьпо;

дт„

для лигнина: -—2- = —к^т,,,

дт

где у- доля компонента;т - удельная масса вещества, кг/м3;& - константы скорости химических реакций, вычисляемые по закону Аррениуса

/с* = к10ехр(^-^У

где к£0 - кинетическая константа 1-ой реакции, с-1; - энергия активации

1-ой реакции, Дж/моль.

Изменение удельной массы образующегося угля определяется по уравнению

дт Уто^то^то "I" Уц(_ "I" УлС ^л^л).

Изменение массы газовой фазы в единице объема древесной частицы представлена как сумма массовых потоков за счет конвекции и реакций пиролиза

£(г^) = _ ао^р) + ^ _ уг^кгцГГ1гц + (1 - уто)ктотто + (1 - Уц)кцтц +

+(1 - УЛ)£ЛГПЛ,

где £ - пористость, определяемая из выражения

где £ф - начальная пористость древесины; робщ и Рф - плотность общего твердого остатка и древесины (частицы), кг/м3, соответственно.

Химические процессы образования угля и газов сопровождаются выделением или поглощением тепла, что оказывает значительное влияние на изменение температуры частицы и слоя в целом. Согласно принятым допущениям в зоне горения протекают только гомогенные реакции взаимодействия продуктов пиролиза СО, Н2 и СН4 с окислителем (воздухом) [7].

Предполагаем, что при пиролизе температура частицы будет равна температуре образующихся газов, а в локальном объеме между компонентами газовой и твердой фазы установлено термодинамическое равновесие. Тогда температура частицы будет определяться температурой газового потока, а уравнение сохранения энергии запишется в виде

уСгцТТ1гц "I" СцТПц + СлТТ1Л + СуПЪу + СпгТПп^ — — ^Яч —^ ^пг^пг^пг "I"

^-гц^гц "I" Угц^-гц^-гц ^то^-то) "I" Яц{_ кцТ'Лу) "I" ЯлС ^лЩл),

где д - удельная теплота химической реакции, кДж/кг.

В зоне восстановления диффузионные потоки тепла и массы пренебрежимо малы по сравнению с конвективным переносом тепла и массы [8], поэтому пренебрегая влиянием диффузии и теплопроводности, стадию восстановления можно описать следующими уравнениями [9]:

• уравнение материального баланса 1-го компонента газового потока

дС1 , „

™сг-^=-кА;

• уравнение материального баланса для угля

где С£0 - начальная концентрация і-го вещества; - относительное концентрация і-го вещества^ - удельная поверхность^ - скорость продвижения, м/с.

В зависимости от свойств топлива и назначения газа газификация производится в различных по схеме и устройству газогенераторах. Специальные установки разрабатываются на кафедре переработки древесных материалов Казанского национального исследовательского технологического университета [10; 11]. На данном этапе интенсивно ведется усовершенствование газогенератора для газификации влажного топлива [12]. Для использования в качестве топлива отходов деревообработки, влажность которых может достигать более 40%, необходим газогенератор, представленный на рис. 2, состоящий из бункера с узлом загрузки, дополнительными нагревательными элементами и с определенным способом подачи воздуха.

ищу

"у — туИт=1^і.

Уравнение сохранения энергии для угля запишется в виде

РуСуЮу ^ — асг(Ту TCг)f 2ї=і(9і^і(^іо Сі)),

а для газового потока

г

і=1

Рис. 2. Схема газогенератора для газификации влажного топлива: 1 - бункер; 2 - верхняя часть для сушки топлива; 3 - цилиндроконический элемент; 4 - нижняя часть для пиролиза; 5 - камера газификации; 6 - узел загрузки; 7 - шнековый питатель; 8 - теплообменник; 9 - концентратор кислорода; 10 - дутьевой вентилятор; 11 - зольник; 12 - шнек.

Сырьем для процесса газификации служат отходы деревообрабатывающей промышленности, низкосортная древесина мелкого и среднего фракционного гранулометрического состава, отходы лесодобычи и лесопереработки. Они перерабатываются в древесную щепу (ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая») и складируются в специальный бункер 1. Далее полученная технологическая щепа по шнековому питателю 7 поступает в газогенератор. Газогенератор прямоточного типа состоит из зоны сушки сырья 2, зоны пиролиза 4 и газификации 5. Процесс сушки происходит с помощью кондуктивного подвода тепла за счет дополнительно установленного цилиндроконического элемента 3 и воздушной рубашки. Образовавшаяся в зоне для подсушки паровоздушная смесь удаляется через патрубок в рекуперативный теплообменник 8 для дальнейшего использования. Далее щепа через лопастной питатель поступает в зону пиролиза и

под действием силы тяжести постепенно опускается вниз, где происходит высокотемпературный термохимический процесс взаимодействия органической массы с газифицирующим агентом. В качестве окислителя выступает воздух, нагнетаемый с помощью дутьевого вентилятора 10, который проходит через концентратор кислорода 9 для его насыщения. Воздух (О2) через фурмы поступает в нижнюю часть газогенератора и смешивается с пиролизными газами. В результате горения пиролизных газов в среде кислорода образуется двуокись углерода и вода. Далее происходит восстановление на поверхности раскаленного угля двуокиси углерода СО2 до ее моноокиси СО, а воды Н2О - до водорода Н2.

Зола из газогенератора попадает в зольник. Удаление золы осуществляют с помощью шнекового питателя в нижней части газогенератора.

Выходящий из газогенератора газ охлаждается, очищается от смол и влаги и подается на технологические нужды или в газопоршневые коге-нераторы для выработки электроэнергии и тепла.

Основным преимуществом данной установки является возможность получения генераторного газа с высокой теплотворной способностью, а также переработка высоковлажных отходов. Доработка этого научнотехнического задела, наряду с применением современных систем управления рабочими процессами газификации и использованием последних достижений в области теории горения и газификации органических видов топлива, позволит создать конкурентоспособные отечественные газогенераторные установки, которые будут иметь значительный экспортный потенциал.

Источники

1. Сафин Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ // Вестник Казанского технологического ун-та. 2010. №4. С. 120-126.

2. Тимербаев Н.Ф. Сафин Р.Г., Хуснуллин И.И. Современное состояние процесса пирогенетиче-ской переработки органических веществ // Вестник Казанского государственного технологического ун-та. 2011. №3. 169 с.

3. Лыков А.В. Теория сушки. М.-Л.: Энергия, 1968. 472 с.

4. Дикис В.М. Сушка сыпучих пищевых продуктов сбросом давления в потоке перегретого пара: автореф. дисс. канд. техн. наук. Воронеж, 1970. 34 с.

5. Sjostrom E. Wood Chemistry Fundamentals and Applications. NY.: Academic Press, 1981.

6. Varhegyi G. Kinetics of the thermal decomposition of cellulose, hemicellulose, and sugar cane bagasses // Energy & Fuels. 1989. №3 (3), Р. 329-335.

7. Юдушкин Н.Г., Артамонов М.Д. Газогенераторные тракторы. М.: Машгиз, 1955. 243 с.

8. Алдушин А.П. Теплопроводностный и конвективный режимы горения пористых систем при фильтрации теплоносителя // Физика горения и взрыва. 1990. Т. 26. №2. С. 60-68.

9. Ленник, В.А. Энергетическая эффективность сжигания твердых бытовых отходов для использования теплоты в децентрализованном теплоснабжении: дисс. ... канд.техн.наук. Воронеж, 2008. 152 с.

10. Сафин P.R Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств Москва, Изд-во МГУЛ. 2003. 500 с.

11. Сафин P.P., Воронин А.Е., Pазумов Е.Ю. Установка для переработки отходов древесных производств // Вопросы современной науки и практики Университет имени В.И.Вернадского. 2009. №5. С. 82-86.

12. Заявка №2010154606 Pоссийская Федерация, Газогенератор для газификации влажного топлива / P.P.Cафин, Д.Ф. Зиатдинова, P.R Сафин, Е.Ю. Pазумов, Н.Ф. Тимербаев, А.Е. Воронин, A.P. Садртдинов, A.P. Хисамеева (ГФ); заявитель Общество с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр Альтернативная энергетика» (ООО «НТЦ АЭ»); заявл. 30.12.2010; онубл. 30.12.2010.

Зарегистрирована 27.02.2012.