Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 13
1.1 Общая характеристика фильтрационного горения твердого топлива 13
1.2 Явление сверхадиабатического разогрева в фильтрационном горении 18
1.3 Использование углеродсодержащих отходов в качестве альтернативного источника энергоресурсов 20
1.4 Технологии термической переработки/уничтожения углеродсодержащих материалов 24
1.5 Существующие технологии газификации 27
1.6 Технологическая схема газификации углеродсодержащих отходов в сверхадиабатическом режиме 31
1.7 Неустойчивость фронта фильтрационного горения 35
1.8 Заключение 38
ГЛАВА II. Неодномерное движение твердой фазы 39
ГЛАВА III. Экспериментальная часть 45
3.1 Экспериментальная установка 45
3.2 Объект исследования 48
3.3 Методика измерения проницаемости экспериментальных составов 50
3.4 Методика проведения эксперимента 49
3.5 Методика измерения ширины светящейся зоны 51
3.6 Методика отбора газообразных продуктов горения для масс-спектрометрического анализа 52
3.7 Методика подачи воды в реактор 54
3.7.1 Методика калибровки капилляра 56
ГЛАВА IV. Исследование влшшия движения конденсированной фазы на характер фильтрационного горения углерода 58
4.1 Влияние угла наклона реактора на скорость
развития прогара 58
4.2 Исследование влияния угла наклона и скорости вращения реактора на условия стабилизации плоского фронта горения при воздушной газификации древесного угля 61
4.3 Изучение состава газообразных продуктов газификации 66
4.3.1 Изучение состава газообразных продуктов воздушной газификации древесного угля 66
4.3.2 Изучение состава газообразных продуктов паровоздушной газификации древесного угля 61
4.4 Апробация воздушной и паровоздушной газификации в реакторе внутреннего диаметра 160 мм 71
4.5.1 Стабилизация фронта горения при газификации материалов различного химического состава 74
4.5.2. Газификация древесины 75
Выводы 81
Список литературы
- Явление сверхадиабатического разогрева в фильтрационном горении
- Технологическая схема газификации углеродсодержащих отходов в сверхадиабатическом режиме
- Методика отбора газообразных продуктов горения для масс-спектрометрического анализа
- Изучение состава газообразных продуктов воздушной газификации древесного угля
Введение к работе
Актуальность темы
Большой интерес представляет организация процесса фильтрационного горения, когда направление распространения тепловой волны совпадает с направлением фильтрующегося газа. В таком процессе реализуется явление сверхадиабатического разогрева. Сверхадиабатический разогрев при фильтрационном горении возникает в результате наличия источника тепла и теплообмена между потоками твердых и газообразных веществ, движущихся навстречу друг другу, в результате чего происходит рекуперация тепла из продуктов горения в зону реакции. Эффект рекуперации тепла может существенно повысить температуру в зоне горения, позволяя использовать в этом случае низкокалорийные топлива либо осуществлять процессы с малым тепловым эффектом (малым тепловыделением). Особый интерес представляет возможность использования фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом для термической переработки (газификации) различного рода низкокалорийных топлив, в том числе ряда промышленных и бытовых отходов. Преимуществами сверхадиабатического метода термической переработки углеродсодержащих отходов по сравнению с существующими методами являются высокий КПД процесса (до 95%), возможность значительного снижения содержания вредных веществ в газообразных продуктах после дожигания, возможность эффективной переработки некоторых видов отходов, которые не могут быть утилизированы другими способами.
Однако при изучении процессов фильтрационного горения в пористой системе, содержащей твердое горючее и пористый негорючий материал, при вынужденной фильтрации газообразного окислителя в ряде случаев наблюдается возникновение и развитие неустойчивости фронта горения. Одной из причин неустойчивости плоского фронта волны горения является нарушение однородности фильтрации газообразного окислителя, в частности
вследствие выгорания горючего из исходной смеси. Неустойчивость может определяться различием фильтрационных свойств исходных веществ и твердых продуктов горения в т.ч. вследствии выделения при пиролизе жидкой фазы, спекания материалов и иных причин. Предельным случаем неустойчивости фронта горения является формирование одного или нескольких «прогаров» (канальное выгорание топлива). Образование и развитие прогаров затрудняет практическую реализацию технологий, основанных на фильтрационном горении в связи с тем, что скорость развития прогара больше, чем скорость распространения фронта горения. Такое различие скоростей приводит к тому, что нарушаются условия газификации, и в установках непрерывного действия это приведет к неравномерному по сечению реактора протеканию процесса и, в конечном счете, аварийной остановке реактора. Поэтому вопрос о стабилизации фронта горения достаточно актуален.
В современной теории горения не рассматривается движение твердой фазы или рассматривается только движение в направлении перпендикулярном фронту горения. В работе исследуется процесс, в котором осуществлено движение частиц конденсированной фазы в зоне горения в плоскости фронта с достаточно большой скоростью. Практическое осуществление радиального перемешивания частиц твердой фазы в цилиндрическом реакторе в частности может быть осуществлено каким-либо дополнительным механическим устройством. Этого же можно добиться, расположив реактор под углом к горизонту и приведя его во вращательное движение вокруг своей оси. При этом перемешивание под действием силы тяжести обеспечит заполнение пустот и каналов, в результате - равномерное в плоскости сечения реактора распределение раскаленных твердых частиц в зоне горения.
Цель работы состояла в экспериментальном осуществлении процессов -фильтрационного горения при неодномерном движении твердой фазы в реакторе - вдоль оси реактора и радиальное движение, которое позволяет стабилизировать протекание процесса. В разработке и создании для этого новой конструкции газификатора — с наклонным вращающимся реактором, позволяющем реализовать стабильный процесс фильтрационного горения, в плотном слое. Исследовать влияние параметров механического воздействия — угла наклона и скорости вращения реактора на характер фильтрационного горения. Изучить газификацию материалов различного фракционного состава. Исследовать масштабный переход от лабораторной установки к пилотной установке.
Задачами работы являлось:
Изучение нового типа газификатора и поведение различных материалов в нем.
Изучение процесса фильтрационного горения сопровождаемого неодномерным движением твердой фазы — вдоль оси реактора и в плоскости, перпендикулярной оси (радиальное движение) для4-чего был разработан новый тип устройства, позволяющий проводить процесс фильтрационного горения в плотном слое - наклонный вращающийся реактор.
Изучение влияния угла наклона и скорости вращения реактора (т.е. параметров, определяющих характер движения твердой фазы) на параметры зоны горения и нахождение оптимальных значений этих параметров.
Изучение поведения мелкодисперсных смесей при фильтрационном горении в наклонном вращающемся реакторе.
Разработка способа введения воды в жидкой фазе непосредственно в реактор для осуществления паровоздушной газификации.
Изучить возможность масштабирования процессов, с целью переноса их на установки промышленных масштабов.
Научная новизна работы.
Предложен и создан новый тип газификатора — с наклонным вращающимся реактором. Впервые с использованием такого реактора было осуществлено неодномерное движение твердой фазы в реакторе за счет механического перемешивания частиц в зоне горения под действием собственной тяжести. Перемешивания частиц шихты в зоне горения позволяет стабилизировать фронт горения и обеспечить устойчивое протекание процесса в широком диапазоне параметров механического воздействия.
Исследовано влияние основных параметров механического воздействия - угла наклона и скорости вращения реактора на характер фильтрационного горения. Установлены оптимальные значения для этих параметров.
Впервые в лабораторных условиях была осуществлена газификация ряда материалов, которые невозможно газифицировать в шахтном реакторе, в том числе мелкодисперсных материалов с низкой газопроницаемостью, различного химического состава.
Впервые предложен и разработан способ введения воды в жидкой фазе непосредственно в реактор для осуществления паровоздушной газификации, который позволяет вводить воду в различные зоны волны горения: зону подогрева, окисления, восстановления.
Показана возможность масштабирования процессов, что дает возможность переносить их на установки промышленных масштабов.
Практическая ценность работы.
Осуществление течения твердой фазы в наклонном вращающемся реакторе позволяет стабилизировать фронт горения, что позволяет существенно расширить круг материалов, которые могут быть успешно газифицированы в плотном слое - особенно это актуально для мелкодисперсных материалов с плохой газопроницаемостью. Проведенные исследования являются основой для создания нового типа промышленных газификаторов. Предложенный способ подачи воды в жидкой фазе непосредственно в реактор для осуществления паровоздушной газификации позволяет снизить внешние энергозатраты и дает возможность использовать для парообразования внутрецикловые загрязненные воды.
На защиту выносятся:
Способ стабилизации фронта фильтрационного горения за счет управления характером неодномерного течения твердой фазы.
Экспериментально установленные зависимости ширины зоны горения от угла наклона и скорости вращения реактора.
Экспериментальные данные, свидетельствующие о возможности использования установки данного типа для газификации мелкодисперсных материалов с плохой газопроницаемостью в определенном диапазоне управляющих параметров.
Способ подачи жидкой воды непосредственно в реактор для осуществления паровоздушной газификации.
Апробация найденных оптимальных значений управляющих параметров механического воздействия - угла наклона и скорости вращения реактора и способа паровоздушной газификации на пилотной установке и демонстрация возможности масштабирования процессов.
Личный вклад автора.
Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании экспериментальной установки. В работе представлены результаты экспериментальных исследований, полученные лично автором в течение 2004-2007 гг. в соответствии с координационными планами научно-исследовательских работ ИПХФ РАН в рамках программы Президиума РАН № 7: «Фундаментальные проблемы энергетики», подпрограммы «Биотопливо и энергоносители из возобновляемого сырья». Автор непосредственно участвовал в постановке и обосновании основной части исследований, получении экспериментальных данных их обсуждении и формулировании выводов. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории макрокинетики гетерофазных процессов Института Проблем Химической Физики РАН (зав. лаб. к.ф.-м.н. Е.В. Полианчик).
Апробация работы.
Материалы работы докладывались на семинарах отдела Горения и Взрыва ИПХФ РАН, а также на следующих конференциях:
Конкурс молодых ученых им. Батурина СМ., Черноголовка, 2007 г.
Первая конференция по фильтрационному горению, Черноголовка, 21-24 мая 2007 г.
VII конференция им. Воеводского «Физика и химия элементарных процессов», Черноголовка, 24-28 июня 2007 г.
XIV симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 13-17 октября 2008г.
Публикации автора.
Основные результаты диссертации представлены в двух статьях и одном патенте.
Зайченко А.Ю., Жирнов А.А., Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Жолудев А.Ф. Стабилизация фронта фильтрационного горения // Доклады Академии Наук. 2008. Т.418, №5. С. 635-637.
Дорофеенко CO., Зайченко А.Ю., Жирнов А.А. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Черемисин В.В., «Способ переработки конденсированных горючих путем газификации и устройство для его осуществления». Патент РФ №2322641, приоритет от 02.05.2006.
Зайченко А.Ю., Жирнов А.А., Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Жолудев А.Ф. Исследование фильтрационного горения в наклонном вращающемся реакторе: возможности практического применения. Тез. XIV симпозиум по горению и взрыву, Черноголовка, 13-17 октября 2008г.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии и списков рисунков и таблиц. Объем диссертации 93 страницы текста, включая 25 рисунка, 7 таблиц и библиографию из 104 наименований.
Явление сверхадиабатического разогрева в фильтрационном горении
В настоящее время значительная часть добываемых природных ресурсов потребляется энергетикой, химической и родственными отраслями промышленности. Поэтому все острее стоит проблема истощения природных энергоресурсов. Так же эти отрасли становятся существенными источниками опасных отходов и вредных выбросов.
Таким образом, в настоящее время стоят две важнейших проблемы, которые требуют незамедлительного решения [21]: Энергетические проблемы.
Одним из направлений решения энергетических проблем является повышение эффективности, экологичности, снижению материало- и капиталоемкости, повышению надежности и эксплуатационных свойств энергетических установок. В решениях проблем эффективного энергосбережения мировая практика в настоящее время нацелена на перевооружение энергетических оборудований путем широкомасштабного ввода в эксплуатацию современного оборудования и автоматики. Это стало толчком для разработки новых технологий, в частности технологии энергетических установок комбинированного цикла с интегрированной газификацией (integrated gasification combined cycle, IGCC).
Второе важное направление — использование альтернативных энергоресурсов взамен нефти и газа. Это в первую очередь относится к различным видам низкосортных топлив. Существенными признаками низкосортных топлив оказываются четыре (отнесение топлива к низкосортному предполагает наличие одного или нескольких из них): - высокая доля негорючей части (минеральная часть, влага), обуславливающая низкую по сравнению с качественными топливами теплотворную способность; - наличие примесей (токсичных или радиоактивных), исключающих применение традиционных технологий сжигания; - содержание кислорода в органической части, которое приводит к снижению калорийности топлива вследствие наличия, окисленного углерода; - низкая концентрация по территории, повышающая затраты на извлечение и ограничивающая экономически оправданный радиус заготовки.
При рассмотрении в качестве энергоресурсов низкосортных топлив в первую очередь к ним стоит отнести: отвалы шахт и угольных карьеров, содержащие до 20 — 40% углерода, отходы углеобогатительных производств, золоотвалы ТЭЦ и др.; твердые бытовые отходы; отходы лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности; отходы нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, нефтешламы; отходы химической и родственных отраслей промышленности; сельскохозяйственные отходы; илы полей фильтрации и т.д. Экологические проблемы.
Поскольку скорость накопления промышленных и бытовых отходов неуклонно возрастает, необходимость их уничтожения, переработки или утилизации становится все более острой. Вместе с тем большинство широко используемых в настоящее время способов уничтожения и переработки отходов требует больших энергетических затрат, способы эти дороги и сопровождаются в ряде случаев появлением таких чрезвычайно опасных вторичных загрязнителей, как полиароматические углеводороды, диоксины. Некоторые методы, такие как захоронение твердых бытовых отходов, отходов нефтяной и химической промышленности, не дают радикального решения проблемы, а лишь отодвигают приближающуюся экологическую катастрофу на некоторое время.
Западные страны начали активно заниматься переработкой промышленных отходов и твердых бытовых отходов еще в 60-е годы прошлого века. В течение 10 лет в Японии, Германии, Франции и Швейцарии была создана разветвленная инфраструктура по сбору, сортировке и первичной переработке отходов и построены высокопроизводительные мусоросжигательные заводы. Однако образование большого количества токсичных веществ при сжигании отходов приводит к тому, что удовлетворить жесткие требования по выбросам, принятым в Европейских странах удается лишь при использовании чрезвычайно дорогих очистных сооружений [22], которые к тому же значительно повышают и эксплуатационные затраты. Так, например, стоимость современного мусоросжигательного завода более чем на 60% состоит из стоимости очистных сооружений для дымовых газов.
Для эффективного обезвреживания отходов необходимы технологии, наносящие минимальный экологический ущерб окружающей среде, имеющие низкие капитальные затраты и позволяющие получать прибыль. Разнообразие отходов по химическому составу не позволяет создать универсальную технологию утилизации твердых и жидких промышленных и бытовых отходов. Основные источники углеродсодержащих отходов в России, их примерная норма образования в год, состав и калорийность приведены в таблице 1.
Окончательным этапом обращения с органическими отходами являются термические методы утилизации. Сжигание является одним из термических методов переработки отходов и заключается в переходе их в химически стабильное состояние с существенным уменьшением объема, с надежной последующей консервацией компактного остатка. При обезвреживании углеродсодержащих отходов сжиганием важной физико-химической характеристикой является теплотворная способность сырья. Для получения положительного теплового эффекта реакции горения отходов содержание углеводородов должно быть выше 10%. КПД существующих печей сжигания не превышает 70 — 75%, поэтому, содержание углеводородов в отходах не должно быть менее 14%.
Технологическая схема газификации углеродсодержащих отходов в сверхадиабатическом режиме
В настоящее время одним из наиболее эффективных методов термической переработки/уничтожения углеродсодержащих материалов, в том числе ТБПО является газификация в процессе сверхадиабатического горения, основанный на использовании физического явления, когда в результате передачи тепла от продуктов горения к еще не прореагировавшему горючему (рекуперация тепла) температура в зоне горения может стать существенно выше адиабатической. Использование сверхадиабатических режимов фильтрационного горения открывает широкие возможности для утилизации разного рода ТБПО с высоко энергетической эффективностью, экологической чистотой и относительно невысокими затратами.
Технологическая схема газификации углеродсодержащих материалов в сверхадиабатическом режиме представлена на рис. 4 [44]. Суть метода заключается в разделении процесса на две стадии. На первой стадии в реакторе производится газификация в сверхадиабатическом режиме перерабатываемого материала. При этом образуется продукт-газ, содержащий в качестве горючих компонент окись углерода, водород, углеводороды. Продукт-газ при переработке материалов, включающих сложные органические соединения, содержит помимо водорода, окиси и двуокиси углерода и т.д., аэрозоль, состоящий из очень мелких капель углеводородов или смол, химический состав которых определяется природой перерабатываемого сырья. Продукт-газ выводится из газификатора при температуре 100 — 300С. Низкие линейные скорости газовых потоков в газификаторе, наличие плотного слоя шихты и отсутствие предварительного размола приводят к практически полному отсутствию твердых пылевых частиц в продукт-газе. Газификация осуществляется при давлении близком к атмосферному. В тех случаях, когда аэрозоль содержит продукты, представляющие самостоятельную ценность (например, углеводороды при переработке нефтяных отходов, олигомеры изопрена при переработке каучуков, автомобильных покрышек и т.д.) они отделяются перед вторичным сжиганием. На второй стадии, полученный при переработке продукт-газ сжигается в известных устройствах с получением тепловой или электрической энергии. Достоинства технологий, обусловленные использованием сверхадиабатических режимов:
Высокая энергетическая эффективность — коэффициент полезного действия на стадии газификации достигает 95% при отсутствии внешних источников энергии [45].
Возможность перерабатывать твердые и жидкие высокозольные и высоковлажные отходы, которые в других устройствах либо плохо горят, либо горят с образованием сажи и других продуктов неполного сгорания. Так, например, в сверхадиабатическом режиме с высокой энергетической эффективностью, возможно, газифицировать углесодержащие породы с зольностью до 90 — 95% или органические материалы с влажностью до 60 — 80% [46].
Высокая экологическая чистота процесса: полнота сгорания газов, отсутствие сажи, канцерогенов и других токсичных веществ, отсутствие пыли в дымовых газах и т.д.
Относительная простота подготовки сырья. Стадии мелкого дробления или брикетирования (для спекающихся материалов), отсутствуют.
В настоящее время разработаны технологии переработки: высокозольных углей и углесодержащих пород, получаемых при проходке шахт и взрывных работ на карьерах, углеобогащении, шлаков и золы уноса ТЭЦ, котельных и т.д. Возможны варианты технологии с получением золы после газификатора, обладающей вяжущими свойствами (например, цемент марки 200); старых покрышек и др. отходов шинной и резинотехнической промышленности с получением кроме энергии олигомеров, еще и окиси цинка и металлов; отходов лесной и целлюлозно-бумажной промышленности таких, например как - щепа, обрезка, кора, лигнин и т.д.; отходов нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, в том числе загрязненных при проливах нефти почв, гальки и т.д. с возвращением части углеводородов; промышленных масел, не подлежащих регенерации; бытового мусора, госпитальных и специфических промышленных отходов, содержащих значительные количества органических соединений (в том числе токсичных).
Однако, несмотря на все преимущества осуществления газификации в сверхадиабатическом режиме горения у данной технологии есть и свой недостаток - неустойчивость фронта горения. Этот недостаток проявляется как при реализации процесса в лабораторных условиях, так и в промышленном масштабе (рис. 5). На фотографиях представлены термопарные измерения высокотемпературной зоны (измерения по диаметру представлены в одной плоскости) реактора-газификатора, построенного в г. Лаппенранта (Финляндия), демонстрирующие искривление фронта горения.
Методика отбора газообразных продуктов горения для масс-спектрометрического анализа
Измерения коэффициентов проницаемости осуществлялись в неподвижном реакторе манометрическим методом - регистрировали перепад давления газа, при протекании газа через слой шихты при заданном расходе [79, 80]. Коэффициент проницаемости к (м ) вычисляется по формуле: где к — коэффициент проницаемости (м ); L — высота засыпки (м); G0 У измеряемый расход воздуха (м /сек); р — вязкость фильтрующегося газа (для воздуха при Т=18С равна 1,81 10"5 Па сек); S— площадь сечения (м2); АР -перепад давления на слое (Па). Коэффициенты проницаемости используемых смесей, а также слоя инертного материала, и отношение коэффициентов проницаемости твердых продуктов и исходной смеси приведены в таблице 2. Порядок значений коэффициентов проницаемости, приведенных в таблице, находится в промежутке между значениями соответствующих засыпке из сфери почвы [81].
Интенсивность развития неустойчивости определяется отношением коэффициентов проницаемости продуктов горения и исходной смеси, чем больше различие между ними, тем более неустойчива система. Поэтому основная часть экспериментальных исследований была проведена на составах наиболее подверженных развитию неустойчивости фронта горения - шамот 5-7 мм + уголь 3 — 5 мм и шамот 5-7 мм + уголь 2-3 мм.
Основная часть экспериментов проводились в кварцевом реакторе внутреннего диаметра 66 мм и длиной 450 мм. Эксперимент начинали с загрузки во вращающийся реактор инициирующего состава (массой -40 — 50 г.), представляющего собой нагретую до 800С (в электрической печи) смесь древесного угля с дробленым шамотным кирпичом. После чего в реактор подавали окислитель (воздух). Дальше производили загрузку исходного состава небольшими порциями (-50 г), после чего происходило распространение волны фильтрационного горения. Высота засыпки материала составляла 35-40 см, и лимитировалась расположением опорных роликов - в верхней части реактора, а в нижней — расположением привода вращения (это делалось, чтобы предотвратить перегревания описанных частей установки). Спустя 2 — 3 минуты формировался стационарный фронт горения, который характеризовался постоянной скоростью 0,23±0,02 мм/сек. распространения по смеси. Расход воздуха во всех экспериментах был постоянным (0,19 м/сек), и контролировался по показаниям ротаметра. В ходе эксперимента регистрировали протекание процесса на цифровую камеру. Также проводили отбор проб газообразных продуктов. Состав продуктов газификации определяли на масс-спектрометре марки МХ1302, позволяющем анализировать соединения, находящиеся при нормальных условиях в газообразном состоянии.
В качестве основного параметра, характеризующего протекание процесса, принималась ширина светящейся зоны (рис. 14), где температура превышала 700С (температуру в зоне горения измеряли оптическим пирометром марки С-700). Ширина светящейся зоны определяется совокупностью ряда процессов, протекающих в реакторе: теплопотерями через стенки реактора (излучением и конвективными), тепло- и массообменном между потоками твердой фазы и газа, химической реакции окисления частиц горючего, движения частиц твердой фазы под воздействием силы тяжести и вращения реактора. Поэтому наблюдаемая ширина высокотемпературной зоны определяется многими параметрами: временем, сгорания частиц угля которое определяется в т.ч. линейными размерами частиц; характеристиками теплопотерь через стенку реактора зависящих от диаметра реактора; расходом газообразного окислителя и долей горючего в шихте. В условиях эксперимента, при высоком уровне излучательных теплопотерь, светящаяся зона практически совпадает с зоной интенсивного окисления углерода, в которой визуально наблюдаются горящие частицы топлива
Изучение состава газообразных продуктов воздушной газификации древесного угля
В экспериментах в наклонном вращающемся реакторе визуально наблюдался стабильный плоский фронт горения, однако само по себе это не гарантирует сохранения условий равномерного по сечению реактора горения (газификации) твердого топлива. В качестве индикатора равномерности протекания горения в слое можно рассматривать состав газообразных продуктов газификации. С этой целью было проведено сравнение состава продукт-газа, образующегося при газификации древесного угля в вертикальном и наклонном вращающемся реакторах.
В таблице 4 приведены сравнительные данные анализа компонентного состава продукт-газа, полученного при воздушной газификации смесей угля (30%) с инертным компонентом (70%) в наклонном и вертикальном реакторах диаметра 66 мм, при расходе газообразного окислителя равном 0,19 м/с. Для вертикального реактора отбор продуктов газификации проводился в тех экспериментах, когда не происходило образования прогара. Скорость вращения реактора составляла 12 об/мин. Как видно из таблицы, состав газообразных продуктов, полученных в наклонном и вертикальном реакторах, близок. Таким образом, в наклонном вращающемся реакторе реализуются условия газификации, аналогичные условиям газификации в вертикальном реакторе.
Сравнительные данные анализа компонентного состава продукт-газа, полученного при воздушной газификации угля в наклонном и вертикальном реакторах диаметра 66 мм (в сумме компонентов газа до 100% дополняет инертная составляющая воздуха — азот).
Одной из важнейших характеристик любого технологического процесса является КПД.Для энергетического использования различного рода горючих отходов и низкосортных топлив с максимальным энергетическим КПД целесообразно вводить в состав газообразного окислителя водяной пар и/или углекислый газ, которые при температурах выше 800С вступают в эндотермические реакции с углеродом, что повышает содержание горючих компонентов (водорода и монооксида углерода) в газообразных продуктах. Также наличие пара в составе газообразного окислителя позволяет контролировать тепловой режим процесса, уходя из области критических температур (для конструкционных материалов) 1300 - 1500. При газификации твердого топлива под химическим КПД процесса понимается отношение теплоты сгорания газообразных продуктов газификации, за вычетом тепла необходимого для перевода воды в газообразное состояние, к теплоте сгорания исходного твердого топлива. ) где m - мольный расход монооксида углерода, моль/(с м ); h - мольный расход водорода, моль/(с м2); с — мольный расход топлива, моль/(с м"); w -количество теплоты необходимое на испарение воды, Дж/(с м2); Н о энтальпия, Дж/моль; То - начальная температура, К.
Как показано в [82] паровоздушная газификация углерода может быть описана схемой, состоящей из следующих реакций:
Образование метана в данной схеме не указано т.к. оно имеет место в основном при газификации под давлением выше атмосферного.
Традиционная схема паровоздушной газификации предполагает наличие внешнего парогенерирующего устройства, где происходит испарение воды. Далее водяной пар смешивается с кислородсодержащим газообразным окислителем и подается в нижнюю часть реактора.
В настоящей работе предлагается вводить воду в реактор-газификатор путем подачи ее в зону горения, где происходит ее испарение. Вода в реактор подается отдельно от газообразного окислителя (кислорода/воздуха) через трубку, выполненную из термостойкого сплава (рис. 12). Положение фронта горения относительно реактора регулировалось с помощью разгрузки отработанного материала из реактора. Наклонное положение реактора и его вращательное движение способствует перемешиванию частиц материала, что создает условия для равномерного распределения пара по сечению реактора. Такая организация процесса позволяет использовать загрязненную воду, которая само по себе является объектом многих технологических методов утилизации [83 - 89]. Еще одним преимуществом подачи воды в зону горения является снижение затрат на оборудование для парообразования.
При такой методике паровоздушной газификации значительная часть тепла, выделяющегося при сгорании топлива, затрачивается на парообразование, однако общий КПД технологической схемы повышается по сравнению с традиционной, где используются парогенераторы. Это происходит т.к. из схемы исключаются парогенераторы, имеющие относительно невысокий КПД.
Эксперименты по паровоздушной газификации велись на смеси древесного угля с шамотом в соотношении 30% к 70% по массе в реакторе внутреннего диаметра 66 мм. Мольное соотношение Н20/02 в газифицирующем агенте равнялось 1.
