Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
3.3.2. Слоевая газификация биомассы Существуют различные схемы газогенераторных процессов. К более простым относятся слоевые. Слоевая газификация может происходить при встречной подаче воздуха и топлива – прямой процесс (рис.3.6, а), попутной подаче топлива и воздуха сверху – обращенный процесс (рис.3.6, б).  а б в Рис. 3.6. Слоевые схемы газификации: а – прямой процесс газификации; б – обращенный процесс газификации; в – смешанный процесс. В прямом процессе воздух подается в нижнюю часть газогенератора, где достигается максимальная температура горения и наилучшие условия для полного выгорания углерода топлива, что снижает недожог до 1–2% от исходного количества углерода. Топочные газы проходят слой топлива снизу вверх, охлаждаются и обогащаются летучими смолистыми фракциями и водой. Наличие водяных паров в генераторном газе приводит к снижению его теплоты сгорания. При остывании генераторного газа, обогащенного смолистыми фракциями, происходит забивка газовых магистралей. В обращенной схеме газификации зона сухой перегонки и сушки располагаются выше зоны горения так же, как и в прямом процессе, но летучие, смолистые фракции и влага проходят эту зону, и на выходном ее участке смолистые фракции сгорают, что обеспечивает наилучшие условия для реакций восстановления. При обращенном процессе количество смолистых веществ и влаги в вырабатываемом газогенераторном газе минимально. Однако газогенераторы такого типа требуют более точной регулировки параметров и менее устойчивы в работе, чем аппараты прямого процесса. В них наблюдается значительный недожог топлива, для уменьшения которого, обычно организуют вторичное дутье в нижнюю часть активной зоны генератора. Промежуточной схемной между прямым и обратным процессом газификации можно считать двухзонную схему – поперечный процесс (рис.3.6, в), разработанную для газификации многозольных топлив. Приведенные выше слоевые схемы являются наиболее простыми по своей технической реализации. Они находят применение в автономных системах теплоснабжения, в технологических установках и на электростанциях малой мощности. Все они могут использоваться для сжигания одноразовой закладки топлива, второй и третий, для непрерывного сжигания топлива, когда добавка его не влияет существенно на процесс горения. Общим для них является то, что при изменении мощности горения за счет уменьшения подачи воздуха не пропорционально падает КПД энергоустановки. То есть, ограничены возможности регулирования её теплопроизводительности без снижения КПД. Кроме того, для реакции горения требуется больше избыточного воздуха в 1,6–2,4 раза, по сравнению с теоретически необходимым количеством. Через топливник проходит большое количество балластных газов. Это водяные пары и азот, некоторое количество кислорода, не принявшего участия в горении, водяные пары от выпаривания воды, содержащейся в топливе. Все эти газы участия в горении не принимает, а только нагревается за счет теплоты сгорания углерода и водорода, и требуют энергии для своего нагревания. В качестве топлива для газогенераторов может применяться древесная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1 см3 до 200 см3), смесь кускового торфа с опилками или стружками. Топливом может быть только опилки и стружка, но при этом мощность может снижаться на 20–40% из-за зависания топлива в бункере и неравномерности процесса газообразования. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролизной переработки – лигнин. При этом газогенераторы не требовательны. Они могут работать на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившая и т.п.) с влажностью до 50%. Чтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предварительно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают и измельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и на соотношение видов получаемых продуктов, является соотношение воздух – горючее (обычно воздуха подают около 30% от необходимого для полного сжигания топлива). Проще всего управлять блоком, работающим при температуре ниже 600°С. При этом можно выделить четыре стадии газификации топлива: 1. 100–120°С – подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги; 2. 275°С – отходящие газы состоят в основном из N2, CO и CO2; извлекаются уксусная кислота и метанол CH3OH; 3. 280–350°С – начинаются экзотермические реакции, в процессе которых выделяется сложная смесь летучих химических веществ (кетоны, альдегиды, фенолы, эфиры); 4. свыше 350°С – выделяются все типы летучих соединений, происходит образование CO и увеличение образования H2, часть углерода сохраняется в форме древесного угля, смешанного с зольными остатками. Горючие продукты подвергаются термическому разложению (пиролизу): СН4 = С + 2Н2; С2Н4 = 2С + 2Н2; и конверсии: С2H4 + 3Н2О = СО + СО2 + 5Н2; Термический пиролиз и конверсия идут с поглощением тепла. С поглощением тепла идут и вторичные реакции: 3С + 4Н2О = 2СО + СО2 + 4Н2; Для поддержания теплового баланса и ускорения приведенных выше реакций, в газогенератор подается кислород для обеспечения рабочей температуры: 2СН4 + O2 = 2СО + 4Н2; С2Н4 + O2 = 2СО + 2Н2; Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза (пары, газы и твердый, богатый углеродом кокс (древесный уголь)), обладают меньшей по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания, но отличаются большей универсальностью применения. КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания произведенного топлива к теплоте сгорания используемой в процессе биомассы. Достигаемый КПД весьма высок: 80–90%. Продукты пиролиза имеют следующие характеристики. Твердый остаток (максимальная массовая доля 25–35%). Древесный уголь на 75–85% состоит из углерода, обладает теплотой сгорания около 30 МДж/кг. Жидкости (конденсированные испарения, максимальная массовая доля около 30%). Делятся на вязкие фенольные смолы и текучие жидкости, пиролигенные кислоты, в основном уксусную кислоту, метанол (максимум 2%) и ацетон. Смола, это смесь различных сложных веществ (углерод, водород, кислород и др). Смола способна гореть с выделением большого количества тепла. При нагревании смола испаряется, образуя газообразный продукт – пары смолы. Жидкости могут быть отсепарированы и использованы в химической промышленности, либо могут использоваться вместе в качестве необработанного топлива с теплотой сгорания около 22 МДж/кг. Газы (максимальная массовая доля, получаемая в газогенераторах, составляет примерно 80%). Смесь выделяющихся при пиролизе газов с азотом известна как древесный газ, синтетический газ или генераторный газ. Газы в основном состоят из N2 (45–60%), H2 (10–17%) и CO (14–30%) с малыми добавками CH4 (1–4%) и CO2 (6–12%), паров смолы, уксусной (древесной) кислоты (СН3СООН), паров воды и пр. Из этих газов, двуокись углерода (СО2), продукт полного сгорания углерода, не способный к дальнейшему горению и поэтому является вредной примесью в газе пиролиза. Азот (N2), простое газообразное, не способное сгорать, и является балластом. Наибольшее количество газов дают древесина и торф. Теплота сгорания на воздухе составляет 5–10 МДж/кг (4–8 МДж/м3). Эти газы могут быть использованы непосредственно в дизелях или в карбюраторных двигателях с искровым зажиганием, при этом основная трудность – избежать попадания в цилиндры золы и конденсирующихся продуктов пиролиза. Основным фактором, который определяет результаты термического разложения топлива, является температура. С ее увеличением возрастает выход горючего газа. В этом случае одновременно с уменьшением выхода полукокса снижается выход смолы и пирогенетической воды. При постоянной температуре повышение давления в газогенераторе увеличивает время пребывания газов в аппаратуре, что способствует интенсификации вторичных реакций в парогазовой фазе и увеличивает коэффициент перехода теплоты топлива в газ. В таблице 3.7. представлен примерный состав газов газификации воздухом для различных видов исходного сырья. Генераторный газ можно накапливать в газгольдерах при давлении, близком к атмосферному. Полученные в результате пиролиза пары смолы, уксусную кислоту, газы и кокс можно сжигать. Процессы горения могут быть выражены с помощью химических уравнений, показывающих, в каких соотношениях и как взаимодействуют отдельные вещества. С + О2 = СО2, + 33,190 МДж/кг; Н2 + 1/2О2 = Н2О, + 10,780 МДж/нм3; СО + 1/2О2 = СО2, + 23,9 МДж/кг; СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, + 35,76 МДж/нм3; С2Н4(этилен) + 3О2=2СО2+2Н2О, +58,967 МДж/нм3. Таблица 3.7 Состав газов газификации воздухом для различных видов исходного сырья, об.%
3.3.3. Газификация в кипящем слое Наряду с описанными выше схемами слоевой газификации твердого топлива все шире используется процесс газификации в кипящем слое (рис. 3.7). Принцип его заключается в том, что при определенной скорости дутья, подаваемого под слой топлива с заданным размером частиц, лежащего на решетке, этот слой приходит в движение, напоминающее кипение жидкости.  Рис. 3.7. Процесс газификации в кипящем слое; а – с циркуляцией, б –в потоке теплоносителя: 1 – центробежный сепаратор (циклон). Схема газогенераторной установки с циркулирующим кипящим слоем показана на рис. 3.7, а. Частицы топлива в газификаторе находятся во взвешенном состоянии, витая в восходящем потоке газа. Это происходит, если сила лобового давления газа на частицу равна силе ее тяжести. Вследствие интенсивного перемешивания частиц топлива с раскаленным углем и воздухом в газогенераторе данного типа нет деления на зоны, присущего слоевым газогенераторам. Во всем объеме топлива поддерживается одинаковая температура, равная 900–1000°С. При газификации в кипящем слое протекают практически те же химические реакции, что и при газификации в неподвижном слое, но со значительно большей интенсивностью. Еще одна перспективная схема газификации – газификация пылевидного топлива в потоке теплоносителя (например, пара) (рис. 3.7, б). Данный метод позволяет сочетать высокую интенсивность процесса с широкими пределами регулирования производительности газификатора. Высокая интенсивность обусловлена увеличением реакционной поверхности, применением высоких температур и гидродинамических факторов. В этом процессе в качестве теплоносителя могут, использоваться практически любые виды твердых тел, а также жидкие продукты и суспензии. К недостаткам данного способа можно отнести: неполное выгорание пыли и высокое содержание летучей золы в генерируемом газе, дороговизну подготовки твердого топлива, трудности с размещением подающего устройства (распылителя) для биомассы внутри реактора. Тем не менее, данный метод считается передовым направлением в газификации биомассы. Перспективность внедрения электростанций и теплофикационных установок на базе газогенераторов, работающих на местном топливе, заставляет активно заниматься созданием собственных газогенераторных установок в Беларуси. Широкое распространение в республике получили газогенераторы типа Пинча, которые перерабатывают в газ мелкозернистое твердое топливо в тонком слое. Характерной особенностью генераторов Пинча является то, что полученный горючий газ не охлаждается, а поступает в жаровую трубу, сохраняя при этом физическое тепло и образуя факел горения с температурой 1000–1300оС, который контактирует с котлом или воздушным теплообменником, что позволяет проводить процесс с минимальной потерей тепла. Общий суммарный коэффициент избытка воздуха составляет 1,4–1,6, КПД газогенератора без котла 90–93%. Недостатками указанных установок являются высокие требования к качественным показателям твердого топлива. Газогенераторы данного типа устойчиво работают только на сухом топливе (влажностью не более 35%) и размером частиц до 70 мм. При использовании в качестве топлива древесных отходов (опилки, стружки и др.) часто происходит нарушение технологического процесса вследствие зависания топлива. 3.3.4. Уравнение теплового баланса газификации топлива Для случая горения с недостатком воздуха (  ) расчет температур значительно усложняется, так как выделяющаяся при горении теплота расходуется не только на нагрев дымовых газов, образующихся при горении части топлива, но и на различные процессы, сопутствующие термохимическому разложению оставшейся от горения части древесного топлива.  ,где  – мощность тепловыделения при сгорании части подаваемого в аппарат топлива;  – теплота, идущая на нагревание дымовых газов;  – теплота, идущая на нагревание несгоревшей части топлива, сушки этого топлива до нулевой влажности, нагревание абсолютно сухой древесины до температуры его термического разложения (200С) и нагревание образующегося водяного пара до температуры газификации угольного остатка;  – теплота, идущая на нагревание летучих и полукокса (твердого остатка) при термическом разложении абсолютно сухой древесины до температуры газификации;  – теплота, идущая на нагревание генераторных газов, образующихся при газификации угольного остатка;  – теплота химических реакций термического разложения абсолютно сухой древесины и газификации угольного остатка.При температуре газификации древесного топлива  900С минимально необходимое значение коэффициента недостатка воздуха определяется по формуле: .Если задачей термохимической переработки древесины является получение древесного угля, то процесс эндотермической газификации угольного остатка должен быть исключен, т.е. доля сжигаемой части топлива должна быть меньше рассчитанной по формуле. Тогда коэффициент недостатка воздуха определяется по формуле:  .Предельные (минимальные и максимальные) значение коэффициента недостатка воздуха в зависимости от влажности исходного топлива приведены на рис. 3.8. Разность  характеризует количество древесины, которое необходимо дополнительно сжигать для осуществления газификации угольного остатка. Подавать воздух в количестве существенно большем рассчитанного ( ), нецелесообразно, так как при этом будет изменяться состав газа и уменьшаться его теплота сгорания. При  осуществляется минимальный выход древесного угля, равный 15% от величины несгоревшей части абсолютно сухой древесины. При этом в состав такого угля будет входить только чистый углерод. При  масса угля будет больше 15%, однако в состав угля будут входить и неразложившиеся смолистые соединения. Рис. 3.8. Зависимость коэффициента недостатка воздуха от влажности исходного топлива Состав и теплота сгорания газовых продуктов газификации древесного топлива зависит, главным образом, от температуры газификации и исходной влажности топлива (рис. 3.9). |