Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных отходов. Монография
.pdf
работающих на продуктах нефтепереработки и природном газе,
выпускаемых серийно.
Поэтому экономическая целесообразность применения такого
оборудования напрямую зависит от эксплуатационных расходов,
прежде всего от
разницы между
стоимостью жидких,
газообразных и твёрдых топлив. В связи с
этим предполагаемые
места эксплуатации
твёрдотопливных
электростанций – это
обычно небольшие
населенные пункты с
неразвитой инфраструктурой, в том
числе без централизованных систем
тепло- и электроснабжения, расположенные в отдалённых районах Сибири, Дальнего
Востока и Крайнего Севера, а также других регионах с высокой
стоимостью жидких и газообразных видов топлив [20]. Кроме того,
модульные электростанции могут быть востребованы геологическими
партиями, археологическими экспедициями, учреждениями ФСИН, в
местах добычи полезных ископаемых, на лесозаготовительных
участках и т.п. Наконец, учитывая авиатранспортабельность и малое
время развёртывания, в том числе силами МЧС, модульные
электростанции могут быть использованы для оперативного
восстановления энергоснабжения и снижения ущерба от аварий и
катастроф природного и техногенного характера, сопряжённых с
выходом из строя существующих систем энергообеспечения.
-100
. 1.4
«»
21
. 1.5
-100
ЗАО «СистемаСтройПроект» представляет комплекс для
термической переработки твердых топлив методом паровоздушной
газификации (рис.1.6). Сущность метода заключается в двухстадийной
термической переработке твердых топлив с получением горючего газа
с последующим сжиганием его в газотурбинной (паротурбинной)
установке с получением электрической и тепловой энергии.
Калорийность вырабатываемого продукт-газа 4,5-8,5 МДж/м3;
тепловая мощность на горелке 5 МВт; время непрерывной работы
15 лет.
.1.6.
15 000
При газификации можно сжигать следующие виды топлива
[110]:
22
углеродсодержащие материалы с содержанием угля от 10 до
40% (зола уноса тепловых электростанций, шлаки котельных,
почва, загрязненная углем и т.д.);
- нефтешламы из нефтехранилищ, почва, загрязненная нефтью и
нефтепродуктами, отходы нефтеперерабатывающих предприятий;
- отходы деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, лесной
промышленности (опилки, щепа, кора, лигнин, и т.д.);
- различные виды ила очистных сооружений, полей фильтрации,
ила после метантанков при биологической обработке и т.д.;
- твердые бытовые отходы;
- больничные отходы;
- отходы покрасочных производств и лакокрасочной промышленности;
- старые автомобильные покрышки, отходы производств резино-
технических изделий, полимерные отходы;
- отходы сельскохозяйственного производства;
- почва, загрязненная различного вида органическими веществами;
- отходы химических производств;
- отходы фармацевтической промышленности (активированный
уголь после использования и др.).
На рис.1.7 представлена технологическая схема работы
реактора-газификатора.
. 1.7. -
В России большинство лесопромышленных предприятий
расположены в некотором отдалении от центральных районов. При
этом предприятия имеют значительные и постоянно растущие запасы
неиспользуемых древесных отходов, которые по мере гниения
создают техногенные зоны. В связи с этим актуально создание
23
компактного модульного оборудования. Основной характеризующий
признак такого оборудования – сравнительно небольшая единичная
электрическая и тепловая мощность [67].
Главное преимущество модульных комплексов заключается в
их высокой заводской готовности и, как следствие, в отсутствии
необходимости проведения строительно-монтажных работ, а также в
малом объёме пуско-наладочных работ при вводе оборудования в
эксплуатацию. Кроме того, транспортирование модульного
оборудования, выполняемого, как правило, в габаритах 20- либо 40футовых стандартных контейнеров, приводит в большинстве случаев
к удешевлению логистической составляющей в структуре цены
поставки.
Технология термохимической конверсии углеродсодержащего
сырья БиоРЕКС занимает лидирующие позиции в сфере переработки
углеродсодержащего сырья и получения энергоносителей по цене
оборудования, выходу товарных энергоносителей, экологичности и
компактности.
Основой технологической линии является реактор
высокоскоростной высокотемпературной конверсии с воздушным
дутьем и обращенным отбором газа.
Основные конструктивные
элементы реактора (рис.
1.8): 1 - гидравлический
пресс подачи сырья; 2 съемная крышка реактора; 3
- дутьевые фурмы; 4 –
гидравлический пресс
отбора золы; 5 - корпус
реактора; 6 - проточный
вентилятор; 7 –
аэродинамический
преобразователь; 8 - рама.
Основные преимущества
реакторов «БиоРЕКС»:
влажность древесных
отходов, опилок может
.1.8. «»
(до 95%), позволяющий перерабатывать материалы с малым
24
достигать 65%; высокий
КПД конверсии углерода
содержанием горючих составляющих (с зольностью до 40%) или с
высокой влажностью (до 65%); синтез-газ, производимый реакторами
«БиоРЕКС», пригоден для подачи в дизель-генератор,
модифицированный для работы на газе или для сжигания в
водогрейном котле; благодаря низкой температуре отбираемого газа и
обращенному процессу газификации образование окислов азота, серы,
хлора или фтора идет неактивно, а содержание вредных веществ
находится в пределах ПДК; сера присутствует в газе в
восстановленных нелетучих формах (H2S, COS), которые проще
поглотить, чем SO2; при конверсии происходит частичное разложение
азотсодержащих органических соединений в безкислородной среде,
что дает меньшее количество окислов азота в дымовых газах; зола,
выгружаемая из реактора, имеет низкую температуру (не более 300
0
С) и практически не содержит остатков углерода.
Состав получаемого синтез-газа: CO - 15-22%, H2 - 16-22%,
CH4 - 1,0-2,5%, CO2 - 11-15%, N2 - 45-48%.
Реактор полностью герметичен. Подача древесных отходов
деревообработки происходит в верхней части через пневмопресс, что
позволяет исключить утечку газов из рабочей зоны реактора. Сырье
проходит зоны подсушки и газификации. Для подвода тепла в реактор
используется воздушное дутьё. Теплоноситель подводится в рабочую
зону радиальным вентилятором через ряды фурм для поддержания
автотермической реакции конверсии сырья при ограниченном
количестве кислорода. На поддержание реакции расходуется не более
10% сырья.
Перед поступлением в реактор воздух проходит
теплообменник, где нагревается до температуры 400оС, что
увеличивает скорость реакции и уменьшает образование диоксинов.
Далее воздух проходит через аэродинамический преобразователь,
активирующий ионы в воздухе, и поступает в реактор, способствуя
качественной активизации параметров процессов. Основная рабочая
зона реактора имеет рабочую температуру 1200 оС – 1400оС, что
позволяет полностью выделять углерод с эффективностью до 95% и
перерабатывать некоторые виды опасных отходов.
Реактор смонтирован в стальной раме или на колесном шасси,
в габаритах морского контейнера, что позволяет транспортировать
комплекс к новому месту производства и комплектовать установки,
включающие от 2 до 10 реакторов мощностью от 1000 до 7500 кг
сырья в час (рис.1.9).
25
.1.9. «»
Вместе с тем компания «БиоРЕКС» (г. Москва) предлагает
модульный локальный энергетический комплекс «ЛЭК-2000» (рис.
1.10) на базе оборудования газификации в вихревом потоке
номинальной производительностью 2 т твёрдого топлива в час,
электрической и тепловой мощностью 2 МВт и 3,5 Гкал/ч
соответственно.
. 1.10.
«-2000» «»
26
Методы расчета процесса газификации древесины
1.5.
Расчет процесса газификации довольно сложный. Необходимо
учитывать большое количество факторов, влияющих на химические и
физико-механические процессы. Наиболее надежный метод для
исследования процесса газификации древесных отходов и решения
различных задач при проведении данного процесса – теоретический
метод расчета, основу которого составляет моделирование.
Моделирование можно осуществлять двумя основными
способами – методами обобщенных переменных, или методами
теории подобия (физическое моделирование), и методом численного
эксперимента (математическое моделирование). Для проведения
математического моделирования в первую очередь необходимы
правильные и точные исходные данные.
Математическое моделирование – это определение свойств и
характеристик рассматриваемого явления путем решения системы
уравнений, описывающих этот процесс, то есть математической
модели. Однако результаты экспериментальных исследований,
проведенных ранее, представляют собой в некоторых случаях
исходные данные для математического моделирования, что является
одним из методов физического моделирования и составляет с ним
единую систему исследования объекта познания [45, 63].
Расчет и моделирование процесса газификации твердого
топлива проводились многими исследователями. Все результаты
данных исследований можно разделить на термодинамические
расчеты, диффузионно-кинетические и расчеты газодинамических
моделей.
Термодинамические расчеты основаны на использовании
законов термодинамики. Современные расчетные термодинамические
методы позволяют получить данные о термодинамических свойствах
газов и составов сложных химически реагирующих гетерогенных
систем [17, 28, 32-33, 116, 118]. Основной исходной информацией при
этом являются исходные характеристики древесного топлива и
окислителей, данные о предполагаемых или экспериментальных
составах продуктов газификации, а также термодинамические
свойства всех исходных веществ и продуктов в зависимости от
температуры и давления [92]. Данный подход позволяет оценить
только принципиальную схему организации процесса, но не отражает
27
и не позволяет учесть конструктивные особенности и режимные
параметры установок.
Существующие в настоящее время методы расчета состава
генераторного газа [54, 71-72, 121] основаны на практических данных
протекания процесса. Также применяются комбинированные методы,
основанные на практических данных и некоторых теоретических
положениях. Расчеты равновесного состава генераторного газа могут
заранее дать представление о влиянии на него состава дутья, давления
и температуры, при которых будет вестись процесс [15, 54].
Вторая группа основана на широко развитых диффузионнокинетических моделях. Основное преимущество этих моделей –
использование простых численных схем и большого числа
элементарных химических реакций, что позволяет достаточно
детально рассмотреть протекание газификации, определить влияние
различных параметров на показатели процесса.
Теория газификации твердого топлива разрабатывалась
советскими учеными на основе диффузионно-кинетических
представлений о процессе взаимодействия углерода с различными
газообразными реагентами. Большой вклад в разработку
диффузионно-кинетической модели, которая в настоящее время
является прочной научной базой для изучения процессов
газификации, внесли А.С. Предводителев, А.Б. Чернышев, С.Д.
Федосеев, З.Ф. Чуханов, Б.В. Канторович, Г.Ф. Кнорре, Н.В.
Лавров, Л.Н. Хитрин, М.К. Гроздовский, Д.А. Франк-Каменецкий,
Х.И. Колодцев, В.С. Альтшулер и другие ученые [4, 12, 26,
34, 41, 54, 89, 90, 103, 111-112]. Были изучены механизм, кинетика и
динамика газообразования при различных режимах газификации
твердого топлива.
В основе процессов сжигания и газификации лежит общий
физико-химический процесс - горение, т.е. интенсивное
экзотермическое окисление топлива. При газификации происходит
либо неполное горение топлива, либо полное горение с последующим
реагированием углерода с углекислотой и водяным паром с целью
получения горючих газов. Основной стадией, определяющей
интенсивность всего процесса газификации в целом, является стадия
горения твердого остатка - углерода, оставшегося в частице топлива
после завершения деструкции вещества исходного топлива и выхода
летучих веществ [89].
28
Согласно теории А.С. Предводителева, процесс газификации
твердого топлива может рассматриваться как гетерогенный процесс на
границе твердой и газовой сред, в котором в той или иной степени
играют роль и определенным образом взаимодействуют химические и
физические факторы, в первую очередь диффузия. Было установлено,
что для гетерогенного химического процесса характерны различные
закономерности - от чисто химических (кинетических) до чисто
физических (диффузионных). Четкое разграничение химических и
чисто физических факторов, влияющих на скорость реакции углерода
с дутьем, способствовало правильному пониманию процесса и выбору
оптимальных режимов его осуществления [89].
В основе процесса горения частицы углерода лежит модель,
предложенная Л.Н. Хитриным, согласно которой угольные частицы
малых размеров обретают скорость, близкую к скоростям движения
потока воздуха. При таком условии вынужденный конвективный
перенос массы отсутствует, и частица выгорает равномерно.
Диффузионно-кинетическая модель по Канторовичу [89]
позволяет отчетливо выявить основные физические и химические
факторы, влияющие на процесс газификации твердого топлива.
Однако математическая обработка экспериментальных данных с
помощью диффузионно-кинетической теории не дает возможности
судить об элементарных химических реакциях (адсорбции, собственно
химической реакции и т.д.). На основе ее можно получить только
суммарные константы реакций и соответствующие величины
«видимых» энергий активации и суммарного порядка реакции. Также
эта теория не учитывает в полном объеме такие важные факторы, как
изменение структуры углерода с оценкой внутренних пор углеродной
массы, влияние исходных характеристик топлива, давления на
отдельные характеристики процесса и др.
Газодинамические модели процесса газификации описывают
газодисперсные течения в газогенераторе в двух- и трехмерной
постановке и основаны на уравнениях неразрывности, движения,
сохранения энергии [54, 132]. Для описания поведения дисперсной
фазы используется Эйлеров и Лангранжев подход.
Для описания турбулентных характеристик течений в
газогенераторе применяется κ-ε модель турбулентности. Расчет
химической кинетики горения газового топлива основан на
использовании глобальных необратимых реакций между горючими и
окислителем. В данном случае прибегают к помощи модели «обрыва
29
вихря», скорость горения в которой ограничивается скоростью
турбулентного перемешивания топлива и окислителя.
В настоящее время разработаны также ряд расчетов и
математических моделей, направленных на изучение отдельных
стадий процесса газификации [32, 40, 57, 80, 83, 117]. В них изучается
газификация углерода в газогенераторах различного типа,
рассматриваются отдельные реакции, протекающие в зонах
газификации, а также влияние режимных параметров на основные
показатели процесса. Модели включают в себя уравнения кинетики,
диффузии, тепло- и массообмена между газовой средой и угольными
частицами, уравнения для расчета выхода летучих соединений, а
также термодинамический анализ взаимодействия летучих веществ с
газовой фазой.
Глава 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОТИВОТОЧНОГО
ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
2.1. Физико-химические процессы преобразования древесных
отходов
Газификация древесных отходов представляет собой комплекс
сложных взаимосвязанных физико-механических и химических
процессов: прогрев и подсушка частицы до начала выхода летучих;
деструкция вещества топлива с выделением летучих; реагирование
летучих веществ около частицы, способствующее быстрому подъему
температуры частицы; газификация твердого остатка.
На рис. 2.1 показана последовательность процессов,
протекающих при газификации древесных отходов. При газификации
можно выделить следующие основные стадии: сушка, пиролиз,
горение продуктов пиролиза и стадия восстановительных процессов
образования генераторного газа [119]. Также схема показывает
вещества, образующиеся на различных стадиях процесса
газификации.
Процесс начинается с того, что частицы, попав в реактор,
образуют слой, который начинает прогреваться и под действием
собственного веса двигаться вниз. Способ прогрева древесных частиц
определен конструкцией газогенератора. Стадия прогрева слоя
продолжается до момента достижения частицами температуры, при
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]