Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных отходов. Монография
.pdf
2
22
Yi, %
4.5Y
, %
СH4
20
18
16
14
1
12
10
6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72U, %
4
3
4
3.5
3
2.5
2
1.5
. 3.5.
: 1 – 4; 2 – ; 3 – 2; 4 – H2
Из сравнительного анализа можно сделать вывод о том, что
полученные значения состава генераторного газа не соответствуют
значениям, полученным в предыдущих исследованиях. Это
объясняется тем, что расчеты приведены для определенной
конструкции газогенератора, позволяющего перерабатывать
высоковлажные отходы с получением максимального выхода
генераторного газа.
При проектировании газогенератора необходимо также
учитывать температуру, давление, расход топлива, а также затраты на
изготовление и эксплуатацию газогенератора, которые напрямую
зависят от его габаритных размеров.
61
Глава 4
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО
ГАЗОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСНЫХ
ОТХОДОВ
Проведенные теоретические и экспериментальные
исследования процесса газификации влажных древесных отходов
позволили определить потенциальные пути развития и
интенсификации процесса. Применительно к задаче утилизации
древесных отходов и низкокачественной древесины был поставлен
вопрос разработки технологического оборудования, обеспечивающего
автономную переработку сырья небольшого лесохозяйственного
предприятия.
4.1. Технологическая схема с использованием разрабатываемого
прямоточного газогенератора
Результаты проведенных исследований показали, что процесс
газификации влажных древесных отходов может успешно применятся
для получения генераторного газа, который, в свою очередь, имеет
большой потенциал для применения в разных отраслях
промышленности, например в химической для получения
синтетического газа, метанола, диметилэфира и моторного топлива. В
связи с этим была поставлена задача спроектировать и изготовить
установку для газификации древесных отходов в местах их скопления.
Установка должна быть мобильной, то есть иметь возможность
перемещаться с помощью стандартных наборов машин на
лесозаготовительных площадках. Также установка должна быть
автономной, то есть при работе не требовать дополнительно устройств
подвода тепла и электроэнергии. Расчет промышленного
оборудования осуществлялся с помощью разработанной методики с
учетом экспериментальных и теоретических результатов, полученных
в данной работе.
В основу схемы и режимных параметров процесса
газификации, осуществляемых в проектируемой установке, заложен
разработанный при участии авторов запатентованный способ
получения метанола. На основе разработанного проекта с целью
апробации и окончательной проверки теоретических доводов был
62
изготовлен опытный газогенератор для газификации влажных
древесных отходов с получением генераторного газа (см. рис. 3.1).
Состав газогенератора для газификации влажного топлива:
- блок загрузки сырья;
- блок газификации (газогенератор);
- блок отвода, конденсации и разделения парогазовой смеси.
Принципиальная схема газогенератора для газификации
влажного топлива представлена на рис. 3.1. Установка состоит из
блока загрузки сырья (древесных отходов, в качестве которых берут
технологическую щепу по ГОСТ 15815) в виде цилиндрического
бункера 5 с крышкой 18, соединенной с отбортовкой 19
гофрированным газонепроницаемым рукавом 20, при этом отбортовка
содержит цилиндрическую часть 21, размещаемую внутри открытой
рубашки 22, и шнекового питателя 23.
Блок газификации содержит газогенератор 1, состоящий из
двух частей: верхней (2) - для подсушки топлива и нижней (3) - для
пиролиза и соединенный с камерой газификации 4, воздушный пояс
11 с фурмами 12, воздушную рубашку 13 в нижней части
газификатора, горловину 14, зольник 15 и шнек для удаления золы 17.
Блок отвода, конденсации и разделения парогазовой смеси
содержит теплообменник 6, концентратор кислорода 7,
расположенный перед патрубком ввода воздуха 8, патрубок удаления
влажного воздуха 10, дутьевой вентилятор 16.
Газогенератор для переработки влажного сырья работает
следующим образом. Древесные отходы (в виде технологической
щепы) поступают в узел загрузки 5, закрываемый крышкой 18,
соединенной с отбортовкой 19 гофрированным газонепроницаемым
рукавом 20. При этом отбортовка содержит цилиндрическую часть 21,
размещаемую внутри открытой рубашки 22, заполненной сыпучим
материалом, что позволяет изолировать верхнюю часть бункера от
окружающей среды. По мере уменьшения технологической щепы в
узле загрузки крышка опускается вниз, создавая эффект подпрессовки.
При этом включается привод вала шнекового питателя 23, и отходы
поступают в верхнюю часть бункера 2 для подсушки, где установлены
дополнительные нагревательные элементы в виде воздушной рубашки
24,
осуществляющей прогревание сырья по периферии, и
цилиндроконического элемента 25, осуществляющего прогревание
щепы изнутри бункера. Полость цилиндроконического элемента
сообщена с воздушной рубашкой через трубки 26. В период запуска
63
зона горения работает на газе от баллона (на схеме условно не
показан).
Верхняя часть бункера для подсушки топлива 2 изолирована
от нижней части бункера для пиролиза 3 лопастным барабанным
питателем 27, который не позволяет проходить пиролизным газам,
образовавшимся в нижней части бункера, в его верхнюю часть.
Воздух, подаваемый с помощью дутьевого вентилятора 16,
проходит через концентратор 7, обогащается кислородом, затем
поступает в рекуперативный теплообменник 6, где нагревается за счет
конденсации влажного горячего воздуха, отводимого из верхней части
бункера, и выводится через патрубок 28. Влажный горячий воздух из
сушильной части бункера 2 попадает в рекуперативный
теплообменник через патрубок ввода 29, где охлаждается, осушается и
транспортируется за счет эжектирования через патрубок 30,
расположенный соосно внутри патрубка вывода воздуха 28, входящим
воздухом в воздушную рубашку. Образовавшийся конденсат через
патрубок отвода конденсата 31 попадает в конденсатосборник 32.
Смесь осушенного и обогащенного воздуха через патрубок 33
поступает в воздушную рубашку 13 в нижней части газификатора, а
затем через два диаметрально расположенных штуцера 34 попадает в
воздушный пояс 11 с фурмами 12 и смешивается с пиролизными
газами. В результате горения пиролизных газов в среде кислорода
образуется двуокись углерода, которая далее в камере газификации
контактирует с раскаленным углем с образованием горючего синтезгаза.
В зависимости от размера и вида исходного сырья требуется
регулирование начальной зоны горения, что достигается подачей
кислорода на разные уровни путем перекрывания отверстий фурм (с
помощью перемещения кольцевых затворов 35 в вертикальной
плоскости).
Из нижней части газификатора образовавшийся синтез-газ
поступает в нагревательные элементы 24 и 25 и выводится через
патрубок 9. Для повышения температуры в зоне газификации путем
уменьшения тепловых потерь устанавливается съемная керамическая
горловина 14 на керамических кольцевых кирпичах 36, которые
свободно лежат на упорах 37. Зола из камеры газификации попадает в
зольник 15 через коническую колосниковую решетку 38. Шуровка
скопившегося на решетке слоя золы производится с помощью
64
встряхивателя 39, а удаление золы - с помощью шнекового питателя
17, расположенного в нижней части газификатора.
Основные технические характеристики газогенератора для
газификации влажного топлива приведены в табл. 4.1.
Газогенератор позволяет обеспечить автономную
непрерывную газификацию древесных отходов влажностью более
40% в генераторный газ.
4.1
№
п/п
1 Производительность установки до 140 м3/ч
2
3 Исходная абсолютная влажность сырья 80 %
4 Потребляемая электрическая мощность 5 кВт
5 Напряжение 380 В
6
7 Масса установки 119,04 кг
8
геометрических размеров, сборочных единиц и деталей при
конструировании данных устройств, а также для принятия
технических решений при наладочных, доводочных работах и
проведении испытаний [11].
работающего на древесных отходах, являются: вид древесных
отходов, влажность и зольность. При расчете газогенератора
определяются следующие показатели: состав рабочего топлива;
теплота сгорания рабочего топлива (отходов); часовой расход
Наименование характеристики Значение
Сырье – древесная щепа размером, не
более
Максимальная температура в зоне
газификации
Габаритные размеры:
длина
ширина
высота
4.2. Инженерная методика расчета установки
Инженерный расчет установки необходим для обоснования ее
Исходными данными для расчета газогенератора,
50 мм
1100 °С
820
820
2300
Ед.
изм.
мм
65
1450
.4,
0D
h
⋅
=
топлива; объем образующегося генераторного газа;
теплонапряженность зоны горения.
4.2.1. Расчет параметров газогенератора прямоточного типа
Размеры камеры газификации выбираются в зависимости от
вида отходов и их параметров для заданной производительности
газогенератора. Производительность газогенератора обращенного
типа и состав получаемого газа зависят от диаметра камеры Dк и
высоты активной зоны Наз газификатора (рис. 4.1).
Диаметр камеры газогенератора определяется по формуле
D
⋅=113
,
q
(4.1)
где – производительность по газифицируемым отходам, кг/ч; q –
напряженность горения, для древесных отходов равна 600 кг/(м2·ч).
Согласно расчетной схеме камера имеет горловину, диаметр
которой dг зависит от напряженности горения и количества фурм. В
среднем отношение Dк/dг равно 1,6-2,3. При количестве фурм от 8 до
12 можно считать, что q·Dк/dг = const = 1450 кг/(м2·ч), в результате
чего
Dq
d⋅= .
(4.2)
. 4.1.
Расстояние от фурменного пояса до горловины определяют по
эмпирической формуле
66
(4.3)
⋅
⋅
δ
τ
⋅
Общая высота активной зоны Hаз камеры газификации
принимается в зависимости от производительности газогенератора,
вида и размера частиц отходов и вычисляется по формуле
1270
V
⋅=
,
D
(4.4)
где V – объем камеры газификации.
Число фурм в реакционной камере для периферийного дутья
принимаем n = 18. Проходное сечение фурм определяется
количеством фурм и скоростью дутья v = 25 м/с. Исходя из заданной
скорости дутья и выбранного количества фурм диаметр их
определяют по следующей формуле:
G
d
⋅=
φ
,8,18
vn
⋅⋅
(4.5)
где G – расход воздуха в газогенераторе; φ - коэффициент истечения
для цилиндрических фурм, φ = 0,63.
Размеры зольника газогенератора зависят от диаметра корпуса
и периодичности очистки. С учетом этого объем зольника
определяется как
V
=
100
,
m
⋅
(4.6)
а высота - по формуле
4
V
=
π
,
D
⋅
(4.7)
где τ – период работы без очистки, ч; δ – количество очаговых
остатков в % от массы газифицируемых отходов (4%); m
–
насыпной вес очаговых остатков (0,3 кг/м3); D – диаметр корпуса
газогенератора. D определяется по формуле
G
D ⋅=
,8,18
v
(4.8)
где G – расход образующегося генераторного газа, м3/ч; v – скорость
течения газа, v = 0,2 м/с.
Объем бункера рассчитывается в зависимости от
периодичности загрузки, производительности и насыпного веса
загружаемых отходов:
67
⋅
τ
где τ
V
период загрузки бункера, ч; m
-
=
9,0
,
m
⋅
– насыпной вес загружаемых
(4.9)
отходов, кг/м3.
Из решения математической модели определяются:
продолжительность стадии сушки и пиролиза τ; оптимальная высота
зоны сушки–пиролиза (бункера) H; эффективная высота слоя h в
восстановительной зоне; уточненная общая высота активной зоны
= h + h; расход генераторного газа G
; компонентный состав
-
генераторного газа, а также корректируется периодичность загрузки
бункера τ.
Исходя из расчетов габариты газогенератора составят
750х750х2100 мм. Однако необходимо учесть увеличение размеров за
счет различных присоединительных и крепежных элементов
конструкции, на которые можно заложить в среднем 10% от
расчетных размеров. В результате полученные габариты
газогенератора составят 820х820х2300 мм.
4.2.2. Аэродинамический расчет газовоздушного тракта установки
Задачей аэродинамического расчета газовоздушного тракта
установок в случае использования искусственной тяги является
определение аэродинамических сопротивлений воздушного и газового
трактов и подбор дутьевого вентилятора [49].
Аэродинамический расчет газовоздушного тракта ведут в
соответствии с требованиями нормативного метода, изложенного в
[11]. Однако такой расчет является достаточно сложным и требует
большого объема вычислений. В связи с этим расчет выполняется по
упрощенной методике. В упрощенной методике сопротивления
отдельных элементов установки не рассчитываются, а принимаются
по справочной литературе. Расчету подвергаются только те участки
газовоздушного тракта, данные по аэродинамическим сопротивлениям
которых отсутствуют в справочной литературе.
Кроме того, расчеты газовоздушного тракта проводят с учетом
теплового расчета, где определены температуры и расходы воздуха и
продуктов сгорания по всему газовоздушному тракту. Данный расчет
выполняется с целью определения сопротивления газового тракта,
68
P
273
+
подбора тягодутьевого оборудования и уточнения настроек
регулирования разряжения в печи.
Аэродинамическое сопротивление любого участка газового
тракта ∆h складывается из аэродинамических сопротивлений на
преодоление сил трения ∆hТР и местных сопротивлений ∆hМ:
.
hhh ∆+∆=∆
(4.10)
Сопротивление трению возникает из-за действующих в потоке газов
сил трения между частицами при движении их в канале и
рассчитывается по формуле [55]
h
λ
1
d
2
w
⋅
ρ
⋅⋅=∆
,
(4.11)
2
где λ – коэффициент сопротивления трению (для металлических
труб и каналов λ = 0,02); l – длина канала; w – средняя скорость газа
в канале, м/с; ρ – средняя плотность газа в канале; d
эквивалентный диаметр канала, м. d
может быть определен по
–
формуле
F
d
⋅=4
,
(4.12)
где F – площадь проходного сечения канала, м2; - смоченный
периметр канала, м.
Скорость газа в канале и его плотность должны определяться
по его средней температуре. При проектировании газоходов скорость
газов для стальных каналов может быть принята в пределах 8-10 м/с
(на прямых участках допускается принимать до 20 м/с) [49].
Проходное сечение газохода котла может быть определено по
формуле
V
F =
,
w
(4.13)
где w – средняя скорость газов в газоходе; V – объемный расход газов
для рассматриваемого участка газового тракта. V рассчитывается по
формуле
273
VGV
⋅⋅=
−
,
(4.14)
где G
– расчетный расход генераторного газа; V – объем топочных
-
газов на единицу сжигаемого генераторного газа на рассматриваемом
69
2
∆
⋅
участке газохода; – средняя температура газов на
рассматриваемом участке газохода.
Потери напора на преодоление местных сопротивлений
газовоздушного тракта (сужение и расширение канала, повороты,
запорно-регулирующая арматура и др.) могут быть определены по
формуле [55]
2
w
⋅
ρ
h
ξ
⋅∑=∆
,
(4.15)
где Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений на
рассчитываемом участке газовоздушного тракта. Значения ξ
приводятся в справочной литературе.
Полные сопротивления газового тракта ∆HГ определяются как
сумма сопротивлений на преодоление сил трения и местных
сопротивлений для каждого участка тракта в отдельности:
hh ∆∑+∆∑=∆
.
(4.16)
Подбор дутьевого вентилятора и дымососа осуществляют по
расчетной производительности и полному напору, которые они
должны обеспечить. Мощность, требуемая для привода вала, может
быть определена по формуле [11]
HV
N
=
.
.
η
(4.17)
4.3. Рекомендации по использованию разработанного
прямоточного газогенератора
Системы газификации древесных отходов в предлагаемом
газогенераторе могут использоваться при оснащении малых
деревообрабатывающих предприятий с целью обеспечения
собственным энергетическим газом. Применение газогенератора
позволит газифицировать не только древесные отходы влажностью
более 40 %, но и отходы, содержащие преимущественно кору и зелень
хвойных пород древесины. Установка для газификации влажных
отходов компактна, обеспечивает непрерывность работы, что
позволяет применять ее для переработки большого количества
топлива и бесперебойно подавать полученный газ для дальнейшего
использования.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]