Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных отходов. Монография
.pdf
(
)
(
)
d
d
FRT
=
⋅
V
Q
Pj
--
V
dT
1
⋅⋅⋅
.
τµτ
d
(2.23)
Изменение температуры пара определим из теплового баланса
паровой фазы. При отсутствии собственных источников или стоков
тепла, а также его подвода извне уравнение будет иметь вид
τρταρ
+= --
dFjTCTdTCQFdTTdTVC
.
(2.24)
Левая часть (2.24) – изменение теплосодержания пара; первый член
правой части – подвод или отвод тепла за счет теплообмена с
поверхностью влажной частицы; второй член – отвод тепла с
удаляемым в вакуумную линию паром; третий – приток тепла с
парами удаленной из древесной частицы влаги.
В (2.24) Q - эквивалентная производительность системы по
удалению пара, равная сумме производительностей насоса и
конденсатора:
QQQ +=
.
(2.25)
Поделив (2.24) на dτ, после некоторых преобразований
получим дифференциальное уравнение изменения температуры пара
dT
d
α
(
τ
µ
2
V
Q
TTFRP
-
V
FRTj
+= )-
⋅
.
V
µ
(2.26)
Совместное решение уравнений переноса в паровой фазе (2.23)
и (2.26) и во влажном материале (2.3) и (2.4) полностью описывает
процесс сушки древесных частиц.
При достижении частицей абсолютно сухого состояния
уравнение (2.4) исключается из расчета, а изменение температуры
частицы рассчитывается только по (2.26). Частица, достигнув 180ºС,
начинает термохимически 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 [131].
41
τ
Изменение массы в единице объема исходной древесины для
каждого из указанных компонентов запишется в следующем виде
[133]:
- для гемицеллюлозы
- для целлюлозы
- для лигнина
∂
∂
∂
∂
m
∂
∂
∂
τ
τ
=
τ
=
τ
mkm -
=
= ,
γ
mkm -
,
mkm -
,
,
mkmk
-
(2.27)
(2.28)
(2.29)
(2.30)
∂
где γ – доля компонента; m – удельная масса вещества, кг/м3; k –
константы скорости химических реакций. k вычисляется по закону
Аррениуса:
E
i
=
kk
ii
0
,
-exp
RT
(2.31)
где ki0 – кинетическая константа i-й реакции, с-1; i – энергия
активации i-й реакции, Дж/моль.
Изменение удельной массы образующегося угля определяется
по уравнению
∂
m
∂
γγγ
++=
.
) -() -(
mkmkmk
(2.32)
Изменение массы газовой фазы в единице объема древесной
частицы представлено как сумма массовых потоков за счет конвекции
и реакций пиролиза:
mwm
∂
)(
l
γγ
++
γγ
mkmk
)-1()-1(
mkmk
) -1() -1(
+++=
,
(2.33)
∂
ε
∂
∂
)(
-
τ
где ε – пористость. ε определяется из выражения
ε
=
где ε – начальная пористость древесины; ρ
ρ
ρ
( )
,
ε
-1 -1
и ρ – плотность
(2.34)
общего твердого остатка и древесины (частицы) соответственно, кг/м3.
Скорость газового потока wгп определяется по закону Дарси:
42
η
η
+
=
K
P
∆
w
,
⋅=µ -
L
(2.35)
где µ – динамическая вязкость газа, Па·с; ∆P – перепад давления, Па;
L - расстояние, м; K – газовая проницаемость частицы, м2. Газовая
проницаемость частицы рассчитывается по формуле
,
)-1(
KKK
(2.36)
где η – степень пиролиза, определяемая по формуле
)-(
mm
-1
=
η
m
.
0
(2.37)
Давление газа находится из уравнения состояния идеальных
газов:
RT
,
(2.38)
Pρ=
где M – молекулярный вес, г/моль; R - универсальная газовая
постоянная, Дж/(моль·К).
Химические процессы образования угля и газов
сопровождаются выделением или поглощением тепла, что оказывает
значительное влияние на изменение температуры частицы и слоя в
целом.
Предполагаем, что при пиролизе температура частицы будет
равна температуре образующихся газов, а в локальном объеме между
компонентами газовой и твердой фаз установлено термодинамическое
равновесие. Тогда температура частицы будет определяться
температурой газового потока, а уравнение сохранения энергии (1)
запишется в следующем виде:
T
∂
)(
m
m
T
∂
T
∂
=
λ
∂
∂
m
m
-)
w
m
+=
γ
++
m
T
∂
∂
mkqmkq
;
q
+
lll
), -() -(
=++++
τ
∂
) - -(
mkmkmkqq
(2.39)
(2.40)
где λ – коэффициент теплопроводности частицы, кВт(м·К); q –
удельная теплота химической реакции, кДж/кг.
Начальные условия для решения уравнений (2.27) – (2.33) и
(2.39) запишутся следующим образом:
43
e
λ
⋅
m=m ,
0гцгц
m=m ,
0цц
m=m ,
0лл
0=m
,
пв
0=m
,
у
0=m
,
пг
Т=T
.
0
Коэффициент теплопроводности для частицы определяется как
сумма теплопроводностей древесины, угля и летучих веществ с
учетом излучения тепла через поры [122]:
3
d
5,13
σ
)-1(
ληλληλ
+++= ,
(2.41)
где σ - постоянная Стефана-Больцмана; e - излучательная способность;
d
– размер пор, определяемый по формуле
45-
ηη
d .
10) -1(105 +⋅=
(2.42)
Значение коэффициента теплоотдачи определяется через
критерий Нуссельта:
Nu
α
=
,
d
2
(2.43)
где d2 – диаметр реактора. Для расчета числа Нуссельта при
вынужденном движении газового потока в ламинарном режиме в
каналах кольцевого сечения использовано уравнение
45,0
023,0 ⋅
Nu ,
⋅=
d
1
-
dd
21
Re
8,0
(2.44)
где d1 – диаметр корпуса реактора.
По окончании расчета зоны пиролиза определим время
протекания процесса. Зная скорость продвижения материала,
рассчитываем высоту зоны пиролиза (h=τ·w).
При моделировании химических превращений, протекающих
при пиролизе древесных отходов, необходимо провести
экспериментальные исследования по определению зависимостей
44
=
ρ
⋅
состава пиролизного газа, выхода угля и содержания в нем углерода
от температуры процесса пиролиза. Согласно принятым допущениям
в зоне горения протекают только гомогенные реакции взаимодействия
продуктов пиролиза СО, Н2 и СН4 с окислителем (воздухом) [119].
В процессе расчета определяются теоретически необходимый
расход воздуха, температура горения смеси газов и выход продуктов
горения.
Расход теоретически необходимого количества воздуха GВ
рассчитывается по формуле [42]
где G
GLG.0= ,
B
– расход пиролизного газа, м3/с; L0 - необходимое количество
.
(2.45)
воздуха для сгорания 1 моля газа [7]
1
21,0
( )
25,0
m
++++=
nCHHCOL
4
.
-
OHC
2420
mn
(2.46)
Расход пиролизного газа определяется как
gn
G
=
,
ρ
(2.47)
где n – число частиц в слое; g – массовый расход пиролизного газа из
одной частицы; ρ – плотность пиролизного газа.
Число частиц в слое:
m
n⋅=
ρ
,
V
(2.48)
где m – масса слоя; V – объем одной частицы; ρ – насыпная
)(
плотность слоя, зависящая от размера частиц,
df
.
Согласно приведенным реакциям продукты полного сгорания
газа будут состоять из СO2 и Н2O, а также N2, поступающего с
воздухом.
Объем продуктов сгорания рассчитывается как сумма объемов
отдельных компонентов:
Здесь V
CO2
V = V
и V
H2O
CO2
+ V
+ VO2 + VN2.
H2O
(2.49)
определяются из соответствующих реакций
образования данных веществ, а остальные - по выражениям
VO2 =0,21·L0,
VN2 = 0,79·L0 + N2.
45
Теплотворность горючей смеси определяется по
эмпирической формуле [87]
6,852,308,25
q
⋅+⋅+⋅=
, Дж/м3.
42
(2.50)
Температура смеси газов в зоне горения:
q
=
,
с
г
(2.51)
где – теплоемкость смеси газов.
Теплоемкость смеси газов:
=
cvc
,
∑
=
i
ii
1
(2.52)
где vi – объемная доля i-го компонента.
Высота зоны горения:
4,0 dh= , где d
2
– диаметр реактора.
2
При рассмотрении зоны восстановления находим, что
диффузионные потоки тепла и массы пренебрежимо малы по
сравнению с конвективным переносом тепла и массы [2]. Поэтому,
пренебрегая влиянием диффузии и теплопроводности, стадию
восстановления можно описать следующими уравнениями [74]:
- уравнение материального баланса i-го компонента газового
потока
∂
∂
i
w -
Ck
=⋅
,
ii
(2.53)
- уравнение материального баланса для угля
∂
m
y
w
∂
-
y
z
km
⋅=⋅
. (2.54)
∑
i
1
m
=
Уравнение сохранения энергии для угля запишется в виде
T
∂
∂
у
=
αρ
w
z
∑
1
i
=
)) -(( -)-(
CCkqf
0
,
iiiicc
(2.55)
а для газового потока
46
=
T
∂
∂
сг
αρ
w
z
)) -(()-( -
+=
∑
1
i
=
CCkqf
0
,
iiiic
(2.56)
где ρ и ρ
кг/м3; y и
w и w – скорость продвижения угля и потока газовой смеси, м/с; α
– плотность угля и потока газовой смеси соответственно,
-
– теплоемкость угля и потока газовой смеси, кДж/(кг·К);
-
-
– коэффициент конвективного теплообмена между газом и углем
(Вт/(м2·К)); i0 – начальная концентрация i-го вещества; i –
относительная концентрация i-го вещества; z – количество
параллельно протекающих реакций; f – удельная поверхность.
Для решения системы уравнений (2.53) – (2.56) приняты
следующие граничные условия:
- по температуре:
;
T=T
у
г
0=у
0=у
- по массе:
;
С=С
i
у
i0
0=у
.
m=m
0=у
0у
Скорость газового потока в восстановительной зоне
определяется по закону Дарси:
g
,
ρ
(2.57)
где µ
dPK
ww
µ
– динамическая вязкость потока газовой смеси, кг·с/м2; g –
-
+= )-
dy
ускорение свободного падения, м/с2 .
Плотность газового потока рассчитывается по выражению [52]
z
.
⋅=
ρ
−
i
M
1∑=
ii
(2.58)
Газовая проницаемость слоя зависит от порозности слоя и
определяется экспериментальным путем:
)(εf
.
(2.59)
Следовательно, расчеты величины динамической вязкости
газового потока осуществляются по выражению
47
λ
ρ
⋅∆⋅
z
∑
1
i
=
µ
=
z
∑
1
i
=
5,0
Mv
µ
iii
,
5,0
Mv
ii
(2.60)
а вязкости компонентов газового потока - по формуле Сезерленда [42]
273
+
Z
=
µµ
0
ii
i
+
273
ZT
i
2/3
T
,
(2.61)
где vi – объемная доля i-го компонента в смеси газов; µi и µi0 –
динамические вязкости i-го газа при температуре Т = 273К
соответственно; Zi – константы Сезерленда. Значения Zi и µi0 при Т=
273 К берутся из [94].
Коэффициент конвективного теплообмена между газом и
углем α
рассчитывается по формуле, отвечающей ламинарному
-
течению потока [16]:
c
α
=
d
2
где Re - критерий Рейнольдса; Pr - критерий Прандтля; λ
теплопроводность газового потока. λ
z
1=i
z
∑
1=i
Mλv
ii
Mv
i
∑
=λ
сг
33,062,0
,
PrRe9,0
вычисляется по формуле
-
3/1
i
,
3/1
i
(2.62)
-
-
(2.63)
где λi – теплопроводность i-го компонента газовой смеси, которая
берется в зависимости от температуры в соответствии с [16].
Критерий Рейнольдса [42]:
w
=Re
µ
.
(2.64)
Значения кинетических констант для реакций берутся из [3, 43,
55, 85] и указаны табл. 2.1 и 2.2.
48
Расчет рабочего топлива и параметров образующихся газов
2.3.
Методы расчета состава генераторного газа подразделяют на
термодинамические, основанные на определении равновесных
соотношений газов, и энергетические, учитывающие отклонения
состава газа от практических данных. В существующих методах
расчета рассматриваются основные реакции газификации углерода и
не учитывается состав топлива, в то время как образование основных
компонентов газа зависит от характеристик исходного топлива,
организации процесса, режимных параметров, вида и свойств
окислителя.
Основные результирующие реакции, проходящие при
газификации углеводородного топлива (без промежуточных реакций):
С + 0,5 О2 → СО, (2.65)
С + О2 → СО2, (2.66)
С + Н2О → СО + Н2, (2.67)
С + 2Н2 → СН4. (2.68)
Состав рабочего топлива на горючую массу определяется
исходя из элементарного состава древесных отходов [58]. Для
технологической щепы задаваемые значения приведены в табл. 2.3.
2.3
,
Технологическая
щепа
Элементный состав,
% вес.
Зольность
А, %
Влажность
W, %
С Н О
Древесина 50 6 44 2 40
По морфологическому составу отходов и элементному составу
отдельных компонентов определяется элементный состав всей массы
отходов:
iii ⋅++⋅+⋅= ...
,
n
n
(2.69)
где
– содержание в каждом компоненте отходов углерода на
n
2211
рабочую массу, %; in – доли соответствующих компонентов в общей
массе отходов.
49
1
(
)
Считается, что рабочее топливо состоит из углерода,
водорода, кислорода, влаги и золы, т.е. для проверки результатов
используется выражение
+ + + W + = 100% вес. (2.70)
Элементный состав на рабочую массу сухого беззольного
материала (массовые доли) рассчитывается по формуле
φ(
) = ·(100 - W - )/10000, (2.71)
где 1 – элементный состав древесины (аналогично рассчитывается
для Н, О, С).
Далее рассчитывается масса сухого зольного топлива, золы и
сухого беззольного топлива.
Расходы масс элементных углерода С, водорода Н, кислорода
О и азота N рассчитывается аналогично по формуле
() = () · φ(). (2.72)
Согласно правилу Дюлонга при газификации твердого топлива
его элементарный кислород весь расходуется на взаимодействие с его
элементарным водородом с образованием химической воды. Однако
ввиду большой влажности исходного материала пар образуется в
процессе испарения, а не химическим путем. Кроме того, при
газификации идет образование оксидов углерода по реакциям (2.65) –
(2.66), в которых участвует кислород атмосферного воздуха,
поступившего в установку при загрузке топлива. При газификации
для протекания реакций окисления углерода свободного кислорода
воздуха, поступившего в установку при загрузке, не хватает, поэтому
содержащийся в топливе кислород выступает основным окислителем
углерода.
Масса элементарного водорода топлива, превратившегося в
свободный газ водород, равна массе водорода в топливе. А количество
его молей в генераторном газе (ГГ) рассчитывается по формуле
=)n(H
2
2
( )
2
)(
, моль,
(2.73)
где М(Н2) = 2,0158 г/моль – молекулярный вес водорода. Аналогично
рассчитывается количество молей газифицируемого углерода, где
М(С) = 12,011 г/моль – молекулярный вес углерода.
Предварительно зададимся величинами мольных долей
углекислого газа и метана в расчете на 1 моль и рассчитаем
количество их молей в получаемом генераторном газе по формуле
κ
i
µ(Cn=n( )) ⋅⋅
50
, моль ,
(2.74)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]