Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных отходов. Монография
.pdf
которой начинается интенсивное испарение влаги – сушка частиц
(зона прогрева и сушки). По достижении частицами абсолютно сухого
состояния процесс сушки заканчивается, и по мере продвижения вниз
частицы продолжают нагреваться.
При достижении древесными частицами температуры 150180ºС начинается процесс их термохимического разложения, что
характеризует стадию пиролиза, которую можно подразделить на три
температурные зоны: 150-275ºС - разложение гемицеллюлозы и
плавление полимеров, 275-450ºС - разложение целлюлозы, лигнина и
полимерных соединений, 450-600ºС - прокалка образованного
углеродного остатка [56, 64, 127].
.2.1.
При распаде наименее термостойкого компонента древесины –
гемицеллюлозы в интервале температур 150-275ºС выделяются
реакционная вода, углекислоты и другие продукты, а также
изменяется химический и элементарный состав частицы.
С дальнейшим увеличением температуры материала в
интервале 275-450°С происходит более интенсивный распад
материала, в основном целлюлозы, и протекают сложные химические
процессы с выделением тепла. Тепловая энергия превращается в
химическую работу, в результате чего молекулы становятся более
31
подвижными и приобретают способность к разрыву с отщеплением
углеродосодержащих групп и образованием основных продуктов
разложения: СО2, СО, Н2О, СН4, СnНm, H2 [62].
При достижении температуры 450°С интенсивное выделение
продуктов разложения прекращается, а материал представляет собой
углеродный остаток (уголь) с содержанием углерода от 60-70%.
Дальнейшее повышение температуры материала увеличивает выход
водорода и метана и вследствие этого процентное содержание
углерода в твердом остатке (угле).
Следует отметить, что обогрев зоны пиролиза происходит не
только от стенок реактора, но и за счет зоны горения, вследствие
теплопередачи через слой материала.
Процесс пиролиза прекращается, когда в слой разогретого
материала подается окислитель (воздух), что приводит к
воспламенению парогазовой смеси и частичному выгоранию
углеродного остатка (зона окисления). Данный процесс обеспечивает
полное сгорание парогазовой смеси и увеличивает степень
прокаливания углеродного остатка, т.е. увеличивает процентное
содержание углерода в общей массе до 80-90% [34]. Температура в
зоне горения составляет 1000-1200ºС.
В процессе горения в основном образуются СО2, Н2О и
прокаленный твердый углеродный остаток. Основные реакции данной
стадии [54]:
С + О2 = СО2,
2СО + О2 = 2СО2,
2H2 + О2 = 2Н2О,
СH4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.
Далее углеродный остаток просыпается в нижнюю часть реактора,
образуя слой, который определяет высоту зоны восстановления. При
контакте продуктов горения со слоем угольного остатка под
воздействием высокой температуры происходят восстановительные
реакции, при которых, в частности, СО2 переходит в СО, а также
образуются другие горючие компоненты генераторного газа. Данная
стадия протекает с поглощением тепла, в результате температура
генераторного газа на выходе снижается до 700–800ºС [109].
Зона восстановления характеризуется протеканием следующих
видов реакций [14]:
2С + О2 = 2СО,
С + СО2 = 2СО,
32
С + Н2О = СО + Н2,
С + 2Н2 = СН4,
СО + Н2О = СО2 + Н2,
СО + 3Н2 = СН4 + Н2О.
Итоговый компонентный состав генераторного газа включает в себя:
СО2, СО, СН4, Н2 и Н2О.
Как видно из вышеизложенного, процесс газификации
древесных отходов весьма сложен. Это обусловлено сложной
химической структурой древесных отходов и тем, что под
воздействием высоких температур происходят изменения на
молекулярном уровне, которые способствуют образованию
неконтролируемых новых соединений и углеводородов.
2.2. Методика расчета основных параметров процесса
газификации древесных отходов
2.2.1. Формализация процесса газификации древесных отходов
Для получения конструктивного математического описания
процесса термической переработки древесных отходов методом
газификации ввиду сложности этого процесса необходимо сделать ряд
допущений, обеспечивающих простоту и удобство его использования
при сохранении необходимой степени адекватности:
1. Высота реактора значительно превышает его условный
диаметр, поэтому состав, температура и скорость газового потока на
большом удалении от фурмы выравниваются [90, 104] – и тогда поток
можно считать одномерным.
2. Частицы рассматриваются в виде бесконечной пластины.
3. Процессы сушки, пиролиза, горения и восстановления
осуществляются постепенно [13]. Наложением процессов во времени,
пренебрегаем.
4. В зоне сушки и пиролиза материала рассматривается
непрерывный стационарный процесс тепломассообмена древесных
частиц со стенкой реактора. Подвод тепла осуществляется
кондуктивно через стенки реактора и цилиндроконический элемент в
бункере сушки.
5. Порозность слоя материала в процессе сушки и пиролиза
остается постоянной. Изменением размеров частиц пренебрегаем.
33
Стенку реактора принимаем бесконечно тонкой, поэтому
6.
толщиной стенки пренебрегаем.
7. Процесс пиролиза древесины рассматриваем как
совокупность процессов термического разложения ее основных
компонентов: гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина [120, 123, 126,
129-130]. На рис. 2.2 представлен механизм термического разложения
компонентов древесины. Массовые доли для гемицеллюлозы,
целлюлозы и лигнина составляют 30, 43,6 и 26,4% соответственно
[123].
.2.2.
8. Принимаем, что в зоне горения протекают только
гомогенные реакции взаимодействия продуктов пиролиза (СО, Н2 и
СН4) с окислителем по следующим реакциям [87]:
2СО + О2 = 2СО2,
2H2 + О2 = 2Н2О,
СH4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.
9. В зоне восстановления пренебрегаем образованием метана
(СН4), так как его содержание значимо в основном при газификации
при повышенных давлениях [48]. Также не учитываем реакцию
взаимодействия СО с Н2, поскольку скорость ее протекания кратно
меньше, чем у других реакций. Однако учитываем реагирование
углерода с остаточным кислородом. В итоге зона восстановления
определяется следующими реакциями [27, 82]:
34
-
1
γ
С + О2 = СО2,
1)
2) 2С + О2 = 2СО,
3) С + СО2 = 2СО,
4) С + Н2О = СО + Н2,
5) СО + Н2О = СО2 + Н2.
Данная схема состоит из минимального набора основных
реакций и позволяет учитывать потребление углерода и обратимые
реакции.
10. Кинетические константы для приведенных химических
реакций берутся из [16, 25, 56] и представлены в табл. 2.1 и 2.2.
2.1
Константа
скорости
реакции
kгц 7,94· 1016 195 0,56
kпв 1,26·107 96 0,45
kц 7,94·1016 202,65 0,087
kл 5,09·105 95 0,335
№ реакции k0, c
1 7,89 73097 + 394,4
2 223,3 149901 + 218,8
3 1013 355300 – 175,6
4 70 147407 – 132,6
5 8,83·1013 104423 + 43,1
11. Принимаем, что образованный генераторный газ на выходе
из установки состоит из следующих основных компонентов: CO2, СО,
Н2О и Н2.
12. Частицы, парогазовая фаза и окислитель по всему аппарату
имеют равномерное распределение, и их параметры в любой точке
поперечного сечения реактора одинаковы. Газовая фаза в любой
k0, c-1 Eа, кДж/моль
2.2
Eа, кДж/моль q, МДж/кмоль
, %
35
момент времени и в любой расчетной точке идеально перемешана и
находится в термодинамическом равновесии [124, 128, 132].
13. Образующаяся парогазовая смесь подчиняется законам
идеальных газов [55] вследствие низкого давления и высокой
температуры.
14. В зоне восстановления интенсивность конвективного
переноса в направлении, параллельном оси реактора, намного выше
интенсивности молекулярной диффузии, поэтому последней
пренебрегаем.
15. Зола является инертным материалом и не взаимодействует с
продуктами реакций.
16. Процесс газификации протекает без тепловых потерь
вследствие надежной теплоизоляции энергетического аппарата.
2.2.2. Математическая модель процесса газификации влажных
древесных отходов
Для разработки реальной конструкции газогенератора,
нахождения его основных размерных параметров необходимо создать
математическую модель процесса. Представленная ниже
математическая модель описывает основные стадии процесса
газификации и учитывает взаимосвязь между ними.
Для определения изменения температуры частицы необходимо
определить изменение влажности материала. Считаем, что изменение
влажности материала определяется изменением влажности частицы, в
данном случае в виде одномерной симметричной пластины, входящей
в данный слой. В результате для описания изменения влажности
частицы введена система дифференциальных уравнений тепло- и
массопроводности [78-79]:
2
k
p
ρ
0
⋅⋅+
ε
∂
∂
∂
U
∂
,
2
x
,
τ
(2.1)
(2.2)
где kp и
2
∂
∂
∂
U
τ
∂
τ
=
a
a
– коэффициент молярного переноса и теплоёмкость
∂
U
+
a
2
∂
x
2
∂
T
∂
2
x
2
δ
mm
∂
⋅+=
∂
x
∂
T
+
2
∂
x
T
x
r
)
c
материала соответственно, определяемые по эмпирическим
выражениям [50, 91, 99, 106]; δ – относительный коэффициент
36
термодиффузии; aт – коэффициент температуропроводности; –
коэффициент влагопроводности древесины; Г – постоянная формы
(для бесконечной симметричной пластины =0).
При отсутствии переноса жидкости, когда изменение
влагосодержания тела в любой его точке происходит только за счет
испарения, коэффициент парообразования ε = 1. Тогда (2.2) запишется
следующим образом:
2
∂
∂
a
=
∂
∂
T
)
2
x
∂
U
r
c
.
⋅+
∂
ττ
(2.3)
В связи с высокой температурой поверхностей нагрева стадия
сушки материала является высокотемпературным процессом. Это
обусловливает значительное увеличение молярного переноса по
отношению к диффузионному, что позволяет пренебречь последним.
С учетом принятых допущений дифференциальное уравнение
А. В. Лыкова [76] примет вид
2
∂
U
∂
∂
U
=
a
m
+
2
∂
x
2
k
p
ρτ
0
∂
.
2
∂
x
(2.4)
При сушке из древесины удаляется адсорбционно-связанная
влага и влага макро- и микро-капилляров. Так как движение
связанного вещества в капиллярно-пористом теле считается
достаточно медленным, то температура практически равна
температуре стенок капилляра [94] и связана с давлением в капилляре
зависимостью, которую с учетом уравнения Антуана запишем в виде
B
= ]}
P .
ξ
-Aexp{(
T
+
[-)
м
⋅⋅
ρσ2
п
B
⋅⋅
Kж
-Aexp(rρ
T
м
)
(2.5)
Ввиду того что скелет древесных частиц имеет сопротивление
истечению паровой смеси, парциальное давление пара во фронте
испарения отличается от парциального давления пара над
поверхностью материала. Принимая допущение, что течение на всем
отрезке капилляра имеет установившийся пуазейлевский профиль
скорости [8], запишем перепад давления для пара в виде
эмпирического уравнения Эргана [9]:
37
(
)
U
1
(
)
PP
150 .
ξ
cp
2
-1
ε
3
ε
ωµ
∂
d
ε
-1
75,1
⋅+⋅+=
32
ε
2
ωρ
⋅
d
ξ
⋅
(2.6)
Из уравнения (2.6) с помощью уравнения (2.5) находим ωz –
скорость течения жидкости и, подставляя в (2.7), определяем
массовый поток несжимаемой жидкости при ее ламинарном течении
внутри материала по капиллярам:
2
j = ,
κµ
ν
8
2
dr
ω
∂
3
ε
(2.7)
где κ – константа Козени-Кармана, для капилляров круглого сечения
принимается равной 4,5 [10]; d и r – средний диаметр и радиус
микрокапилляров, принимается dк=3·10-5 м [5].
В (2.6) величина ξ представляет собой длину участка
капилляра, на котором происходит перенос парообразной смеси, и
равна протяженности зоны испарения. Длину зоны испарения ξ можно
рассчитать по соотношению
τ
dJ
⋅
ξ
d
= ,
'
ρ
(2.8)
где ρ' – распределенная плотность жидкости, определяемая из
выражения [77]
'
W⋅=
ρρ
.
(2.9)
Заменив влажность на влагосодержание, получим
U
⋅
'
100
⋅=
ρρ
.
(2.10)
+
Подставив (2.10) в (2.8), имеем выражение для расчета приращения
зоны испарения:
U
⋅+
ξ
d
=
100
J1
ρ
U
⋅⋅
.
τ
d
⋅
(2.11)
Скорость истечения паровой смеси из капилляра определится
соотношением
Q
∑
.
F
(2.12)
=
ω
Краевые условия для решения представленных
дифференциальных уравнений:
при Т < 100 °С ε = 0; U (0; τ) = Uн;
при Т > 100 °С
ε = 1; U (0; τ) = Uкр;
38
м
м.нач
нач
( 0; x ) = T
T
Р (0; х) = Р
;
;
ρ(0)=ρп;
ω(0; х)=0.
И граничные условия для решения дифференциальных
уравнений теплопроводности могут быть записаны в следующем виде:
dT
( )
мп
ТTα
⋅−=−⋅
λ
d
xx
=
(2.13)
,
dT
( )
ТTα
мп
⋅−=−⋅
λ
d
xx
=
.
(2.14)
При нахождении частиц в
одинаковых условиях и идеальном
перемешивании компонентов пара,
находящегося над поверхностью
влажного материала, уравнение
материального баланса можно
. 2.3
левой части выражает приток пара
записать в виде
В этом уравнении первый член
ρτρτ
dVdQjFd
=-
.
(2.15)
за счет его испарения с
поверхности влажной древесной частицы; второй член – отвод пара из
зоны подсушки в вакуумную линию; правая часть – изменение
парциальной плотности пара, содержащегося в бункере подсушки.
В уравнении (2.15) фигурирует объемная производительность
системы удаления пара Q. В разработанном газогенераторе камера
предварительной сушки подключается к насосу через конденсатор,
который работает как своеобразный насос по пару. Очевидно, что в
этом случае объемная производительность системы удаления пара
будет складываться из объемных производительностей насоса и
конденсатора:
QQQ +=
.
(2.16)
Производительность насоса определяется по его
характеристике. По мере увеличения разряжения она уменьшается. В
литературе для каждого типа насоса имеются свои соотношения,
39
(
)
[
]
{
}
P
A
ln
-
ρ
d
RT
µ
⋅
определяющие его объемную производительность в зависимости от
давления среды. Так, для эжектора объемная производительность
может быть определена из уравнения [101]
−
Q
= .
Объемная производительность конденсатора может быть определена
из его теплового баланса:
ρ
K
где первый член суммы в левой части уравнения учитывает тепловой
эффект охлаждения смеси до состояния насыщения; второй член
суммы – тепловой эффект конденсации; правая часть – количество
тепла, переданного в единицу времени от хладоагента смеси паров,
определяемое по параметрам холодильного агента и смеси согласно
методике Кольборна и Хоугена [77]. Таким образом, объемная
производительность конденсатора определяется выражением
Q
=
[ ]
ρ
Температура насыщения пара может быть определена по известной
зависимости [61]
T
−
Q
P
( )
-
B
=
STk
⋅∆⋅
185,0 −
STkrTTCQ ⋅∆⋅=+−
,
K
.
rTTC
+
.
(2.17)
(2.18)
(2.19)
(2.20)
Поделив уравнение (2.15) на dτ, получим следующее
дифференциальное уравнение:
ρ
Парциальную плотность пара можно связать с парциальным
давлением, используя уравнение Менделеева – Клапейрона [61]. В
итоге будем иметь
ρ
=
Подставляя выражение (2.22), а также производную от ρп по времени в
(2.21),
уравнение изменения парциального давления пара
после некоторых преобразований получим дифференциальное
d
VQjF
=-
40
.
(2.21)
τ
.
(2.22)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]