Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных отходов. Монография
.pdf
(3)
(3)
(3)
(3)
где κ – суммарный стехиометрический коэффициент для реакций
(2.65) – (2.68), зависящий от количественного элементного состава и
вида топлива (для удобства в расчетах предварительно принимаем
среднестатистическую величину κ=3, чтобы затем вычислить
величину κ точно); n()
углерода; µ()
- мольная доля образующихся газов СО2 и СН4 по
реакциям (2.65) – (2.68) в расчете на 1 моль С-Г; n()
– количество молей газифицируемого
- количество
i
молей образующихся газов СО2 и СН4 по реакциям (2.65) – (2.68).
Согласно уравнению (2.74) определяем количество молей
газов СО2 и СН4 в генераторном газе. А количество молей газа СО
рассчитываем по формуле
n(CO) = n(C)
- n(CO2)
- n(C4) , моль. (2.75)
В установке для газообразной фазы устанавливается
следующее химическое равновесие:
CO() + 2() ↔ CO2() + 2() . (2.76)
Константу равновесия для реакции (2.76) примем при
температуре Т=900°С равной
=
K ,
p
⋅
⋅
)()(
OHnCOn
2
HnCOn
22
3,1
=
)()(
(2.77)
где n(2) – количество молей (мольных долей) влаги в С-Г.
Масса влаги, содержащейся в генераторном газе, определяется
по формуле
где (2)
(2) = (2) – (2)
(3)
– масса воды, израсходованной на реакцию водяного газа
, (2.78)
(4.12).
Масса этой воды рассчитывается по формуле
(2)
= (2) · [n(2)
+ 2 · n(C4) - n(2)
] , г, (2.79)
где М(Н2О) - молекулярный вес воды, М(Н2О) = 18,0152 г/моль.
Количество молей влаги в ГГ определим по формуле
n(2) = (2) / (2) =
= (2) / (2) - n(2)
(3)
, моль,
(2.80)
Уравнение (2.80) подставим в (2.79) и вычислим количество молей
свободного газа водорода n(2) в генераторном газе. Далее определим
величину массы воды (2)
(3)
, израсходованной на реакцию
водяного газа (2.67), и количество молей этой воды:
n(2)
= (2)
/ (2), моль. (2.81)
Подставив величину водорода (2.81) в (2.80), получим массу
влаги (2), содержащейся в генераторном газе, и определим
51
(1,2)
p
(1)
L
(1,2)
L
(1,2)
L
L
κ = 1 / [µ(
CO2) + n(C2)
p
/ n(-) + µ(C4)]. (2.88)
m(L
) = n(L)
·
M(L
)
,
г, (2.89)
m(-
) = M(C
2)
·
n(C
2)
+ M(CO) · n(CO
) + M(4)
·
количество молей этой влаги в генераторном газе. Рассчитаем
количество кислорода n(L), пошедшего на газификацию топлива, по
уравнениям реакций (2.65) – (2.66). Учтем, что весь свободный
кислород топлива будет участвовать в реакциях (2.65) – (2.66).
Количество кислорода L, пошедшего на газификацию по реакциям
(2.65) – (2.66), определяется по формуле
n(2)
Здесь
где n(О2)
реакцию (2.65); n(О2)
= n(C2)
n()
(1)
= 0,5n(CO)
+ 0,5n(CO)
(1)
n(CO)
(3)
= n() - n()
= n(2) + 2 · n(CH4) – n(H2)
(1)
– количество молей кислорода, пошедшего на
(2)
= n(CО2)
– () / (2). (2.82)
г
– количество молей свободного газа
p
(3)
,
.
(2.83)
(2.84)
кислорода, пошедшего на реакцию (2.66); n(СО)3 – количество молей
газа оксида углерода, образующегося по реакции (2.67).
Количество азота воздуха (поступающего окислороженного) L,
участвующего в реакциях (2.65) – (2.68):
n(N2)
= n(2)
· 5 / 95, моль , (2.85)
где 5 и 95 – объемное содержание свободных газов азота и кислорода
в воздухе при н.у., %, об.
Количество углекислого газа воздуха L, участвующего в
реакциях (2.65) – (2.68):
n(CO2)
= n(2)
· 0,03 / 95, моль . (2.86)
Суммарное количество образующегося ГГ с учетом
содержания в нем свободного газа кислорода воздуха для реакций
газификации (2.65) – (2.68):
n(-) = n(CO) + n(C2)
n(2) + n(N2)L + n(N2)L + n(2), моль.
+ n(CO2)
p
+ n(CO2)
+ n(4) +
(2.87)
Теперь определим точно стехиометрический коэффициент κ
для формулы (2.77):
Далее определим массу воздуха, затраченную на газификацию
по реакциям (2.65) - (2.66):
где M(L) – средняя относительная молекулярная масса воздуха, M(L)
= 28,98 г/моль.
Масса образовавшегося абсолютно сухого ГГ:
n(4) + M(2) · n(2) + M(N2) · n(N2) + M(O2) · n(2) ,г .
52
(2.90)
V = n(-
) · 22,4
, м3 , (2.91)
⋅+=
α
Рассчитываем объем образовавшегося абсолютно сухого
генераторного газа Vг при н.у.:
где 22,4 дм3 – объем, занимаемый одним молем (1 моль) идеального
газа при н.у.
Аналогично рассчитываем удельную теплоту сгорания
отходов Q
где (Q
массу.
P
:
н
P
(Q
)
P
– удельная теплота сгорания компонентов на рабочую
)n
Полученная по выражению (2.91) (Q
= (Q
P
· i1 + (Q
)1
P
· i2 +…+ (Q
)2
P
)n
· in ;
P
может быть
)
получена и проверена по формуле Менделеева, ккал/кг [38]:
'
)9(6)(2630081)(
WSQ +−+−+=
(2.92)
Для лучшего сгорания газа вводят избыточное количество
воздуха, которое обеспечивает полное сгорание газа. Отношение
действительного количества воздуха к теоретически необходимому
называется коэффициентом избытка воздуха:
LL=α
В среднем его принимают
.
0
3,1=α
или более. Следовательно, объем
(2.93)
горючей смеси до начала сгорания состоит из газа и воздуха:
1
LV
.
0
(2.94)
Теплотворность горючей смеси определяется по формуле
Q
,
⋅+
α
0
(2.95)
где
Q
=
1 L
Q
- низшая теплотворность газа.
53
Глава 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ГАЗИФИКАЦИИ ВЛАЖНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
3.1. Экспериментальная установка для исследования процесса
газификации влажных древесных отходов
С целью экспериментального исследования процесса
газификации древесных отходов и проверки на адекватность
разработанной математической модели была разработана и
изготовлена экспериментальная установка, принципиальная схема
которой представлена на рис. 3.1. Газогенератор для газификации
влажного топлива состоит из бункера 1, верхней части для сушки
топлива 2, цилиндроконического элемента 25, нижней части для
пиролиза 3, камеры газификации 4, узла загрузки 5, шнекового
питателя 23, теплообменника 6, концентратора кислорода 7, дутьевого
вентилятора 16, зольника 15 и шнека 17.
Изоляция верхней части бункера от окружающей среды
происходит за счет крышки, соединенной с отбортовкой
гофрированным газонепроницаемым рукавом, при этом отбортовка
содержит цилиндрическую часть, размещенную внутри открытой
рубашки, заполненной сыпучим материалом.
Экспериментальный стенд для исследования динамики
процесса газификации древесных отходов (рис.3.2.) состоит из
последовательно соединенных бункера загрузки древесных отходов 2,
газогенератора 1 со встроенным дополнительно цилиндроконическим
элементом 4, циклона 5, теплообменника 6, фильтра тонкой очистки 7
и сборника синтез-газа 8. Для измерения параметров и управления
процессами экспериментальный стенд оборудован датчиками
температуры, устройствами для определения расхода газов и
жидкости, запорно-регулирующей арматурой. Регистрация данных со
всех датчиков и устройств осуществляется системой контроля,
состоящей из компьютера и аналогово-цифрового преобразователя
(АЦП).
Газогенератор 1 включает в себя патрубок для присоединения
бункера загрузки 2 и системы подачи газифицирующего агента. В
54
качестве агента газификации выступает воздух, обогащенный
кислородом. Забор воздуха осуществляется дутьевым вентилятором и
через концентратор поступает в рекуперативный теплообменник, где
нагревается за счет конденсации влажного горячего воздуха,
отводимого из верхней части бункера. Смесь осушенного и
обогащенного кислородом воздуха попадает в воздушный пояс в зоне
горения.
. 3.1.
Все элементы газогенератора изготовлены из жаропрочной
стали марки 12Х18Н10Т. Сборка узлов осуществляется посредством
сварки, а соединение узлов между собой - болтовыми крепежами, при
55
этом между крышкой, зольником и бункером устанавливаются
прокладки, обеспечивающие герметичность.
Экспериментальные исследования процесса газификации
древесных отходов и определение факторов, влияющих на него,
проводятся следующим образом. Приводится в рабочее состояние
система сбора и хранения данных, осуществляется подача хладогента
в теплообменник 6. Далее при включенном дутьевом вентиляторе,
подающем воздух в зону горения газогенератора, и съемном
нагревателе, служащем для подогрева подаваемого первичного
воздуха, осуществляется прогрев газогенератора 1. По достижении в
камере газогенератора температуры 200-250°С установка считается
готовой к работе.
. 3.2.
Далее заранее подготовленные согласно эксперименту
древесные отходы из загрузочного бункера 2 с помощью шнекового
питателя загружаются в газогенератор до полного ее заполнения. За
счет прохождения потока нагретого воздуха через слой отходов
56
±
начинается их прогрев. В результате начинается процесс
газификации, сопровождаемый появлением зон сушки, пиролиза,
горения и восстановления.
Изменение температуры в ходе эксперимента фиксируется на
разных уровнях по высоте камеры газификации термопарами, расход
подаваемого воздуха (окислителя) в зону горения контролируется и
регулируется датчиками, установленными на концентраторе
кислорода 9. Расход образующегося генераторного газа определяется
с помощью расходомера. Для определения химического состава
генераторного газа на выходе из газификатора посредством
пробоотборника осуществляется отбор проб газов и замер их
температуры. Определение содержания в газе оксида углерода,
водорода, метана, воды и двуокиси углерода осуществляется для
определения качества генераторного газа и оптимизации режимных
параметров процесса газификации.
К газоотводу генератора присоединен цилиндрический циклон
5, который обеспечивает очистку газов от крупных частиц золы и
пыли. Затем генераторный газ поступает в рекуперативный
кожухотрубный теплообменник 6 для охлаждения газа примерно до
80°С и в фильтр тонкой очистки сухого типа с волокнистыми
очистителями 7, позволяющий улавливать частицы размерами до
5мкм. Охлажденный и очищенный газ поступает в сборник 8.
3.2. Методика проведения экспериментальных исследований
Газификация древесных отходов осуществляется в
непрерывном режиме по схеме прямоточной слоевой газификации.
При проведении исследований процесса газификации
используются такие древесные отходы, как щепа технологическая [36,
37] с различной начальной влажностью, изменяющейся в диапазоне от
10 до 80% с шагом в 10%. Это обусловливает необходимость
предварительной подготовки отходов, которая заключается в
определении их начальной влажности, массы и фракционного состава.
Определение влажности проводится с помощью электронного
влагомера МГ4, а доведение отходов до заданной влажности
осуществляется методом досушки в сушильном шкафу при
температуре 100 4ºС. Сортировка древесных частиц для получения
партий определенного фракционного состава осуществляется с
57
помощью стандартных сит № 2 на ситовом сепараторе. Масса
подготовленных образцов взвешивается на электронных весах с
точностью до 0,1 г.
Перед началом работ на экспериментальной установке при
выборе требуемой начальной влажности масса древесных отходов
сводится к 1,0 кг, а расход окислителя в зоне горения определяется
расчетным путем по известной методике [68] и варьируется в
зависимости от требований эксперимента.
На основе известных методик [6, 7, 29] рассчитывается полное
гидравлическое сопротивление газовых трактов экспериментальных
установок, а также устанавливается расход подаваемого хладогента
(воды) в теплообменник 6 (см. рис. 3.2). Экспериментально
устанавливается оптимальный режим прогрева газификатора. Подъем
температуры в реакторе происходит плавно - в среднем на
10-15 °С/мин. Перед каждым экспериментом производится проверка
газоанализатора АНКАТ-310, контролирующего концентрации NОх,
СО, CO2, SO2 в топочных газах [76]. Точность результатов
экспериментальных исследований оценивается методом
математической статистики в соответствии с методиками [59-60, 65-
66].
Для аналитических расчетов и экспериментальных
исследований взаимосвязанных процессов сушки и горения древесных
отходов была выбрана наиболее широко используемая на
предприятиях деревообрабатывающей промышленности порода
древесины – сосна, условная плотность которой составляет 400 кг/м3
[75]. Выбор данной породы объясняется наличием в справочной
литературе наиболее полных сведений о ее теплофизических и
физико-механических свойствах. Подготовка древесных отходов
перед экспериментом осуществляется по стандартным методикам [22,
23, 69]. Сортировку древесных частиц для получения партий
определенного фракционного состава проводят на стандартных ситах
№ 1,5-10 на ситовом сепараторе.
3.3. Результаты численных исследований газификации древесных
отходов
На основании предложенной методики расчета газогенератора
с использованием кинетических характеристик термического
разложения древесины [17-18, 84] были проведены численные
58
исследования, которые позволили проанализировать стадии
преобразования топлива в каждой зоне газогенератора и рассчитать
процесс газификации с определением основных показателей.
Основные исследования сводятся к выявлению зависимости
состава генераторного газа от влажности древесных отходов [113115]. Результаты теоретических расчетов (рис. 3.3) показывают, что с
увеличением влажности древесных отходов уменьшается количество
образующегося углекислого газа, уменьшается количество СО, а
содержание Н2, наоборот, заметно увеличивается. В процессе расчетов
также было отмечено снижение выхода образуемого генераторного
газа при увеличении влажности древесных отходов до 60 % (рис. 3.4).
Однако при влажности древесных отходов от 60 до 80 % выход
генераторного газа снова увеличивается. Полученные результаты
были сравнены с данными экспериментальных исследований
Н.Ф. Тимербаева. [107-108].
100
90
80
70
60
50
Yi,%
40
30
20
10
0
0 20 40 60 80 100
W,%
СО
СО2
Н2
СН4
.3.3.
На рис. 3.5 видно, что с увеличением влажности древесных
отходов увеличивается количество образующихся углекислого газа и
водяного пара, уменьшается содержание СО и H2. Увеличение
образования СО2 связано с уменьшением температуры в зоне
восстановления и, как следствие, со снижением скорости реакций
восстановления, что, в свою очередь, и приводит к уменьшению
59
выхода СО и увеличению количества неразложившихся водяных
паров.
1,2
1,1
1,0
0,9
3
Vг, м
0,8
0,7
0,6
0,5
0 20 40 60 80 100
W,%
. 3.4.
Содержание водорода в генераторном газе при значениях
влажности в пределах 17-22% имеет максимальное значение в связи с
максимальным образованием водорода по реакциям:
С + Н2О = СО + Н2,
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2.
Однако при дальнейшем увеличении влажности отходов количество
водорода уменьшается в результате понижения температуры в зоне
восстановления. Содержание метана практически не изменяется.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]