Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор и современное состояние техники и технологии в области энергетического использования древесины с применением технологии быстрого пиролиза
1.1. Роль биомассы дерева в мировой энергетике 14
1.2. Классификация вторичных древесных ресурсов
1.2.1. Отходы леса при заготовке и транспортировке 19
1.2.2. Отходы при производстве лесоматериалов 20
1.2.3. Отходы при производстве целлюлозы 21
1.3. Технологии энергетического использования биомассы дерева 21
1.3.1. Быстрый пиролиз биомассы 24
1.4. Энергетическое использование жидких продуктов 28
термического разложения древесины
1.4.1 Использование жидких продуктов термического разложения древесины в котлах
1.4.2 Газификация пиролизной жидкости 32
1.4.3 Использование пиролизной жидкости в дизельных двигателях 33
1.4.4 Использование пиролизной жидкости в газовых турбинах 41
1.4.5. Совместное сжигание пиролизной жидкости и ископаемых топлив
1.4.6. Другие направления энергетического использования пиролизной жидкости
Частные выводы 54
Постановка задачи 55
Глава II. Математическая модель совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования
2.1 Физико-химическая картина совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования
2.2 Формализация процессов совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования
2.3 Математическая модель совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования
2.4 Алгоритм расчёта математической модели совокупности 80
процессов термического разложения древесины с образованием
пиролизной жидкости и её энергетического использования
Частные выводы 82
Глава III. Экспериментальное исследование процесса переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования
3.1. Экспериментальные стенды для исследования процесса переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования
3.1.1. Экспериментальный стенд для исследования процесса термического разложения древесины
3.1.2. Экспериментальный стенд для исследования процесса сжигания пиролизной жидкости
3.2. Методика проведения исследований процесса переработки 92
древесины в жидкое топливо и его энергетического использования
3.2.1. Методика проведения исследования процесса термической 92
переработки древесины
3.2.2. Методика проведения исследований процесса сжигания пиролизной жидкости
3.3. Исследование свойств пиролизной жидкости 94
3.3.1. Определение фракционного состава пиролизной жидкости 95
3.3.2. Исследование химического состава пиролизной жидкости 96
3.3.3. Исследование физических и топливных свойств пиролизной 99 жидкости 3.3.4. Исследование кинетики и выхода продуктов при термическом разложении пиролизной жидкости
3.3.5. Исследование продуктов термического разложения пиролизной жидкости
3.4. Анализ результатов экспериментального исследования и математического моделирования процесса переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования
3.4.1. Анализ результатов математического моделирования и экспериментальных исследований процесса термического разложения древесины
3.4.2. Анализ результатов исследования кинетики и выхода продуктов при термическом разложении пиролизной жидкости
3.4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процесса сжигания пиролизной жидкости Частные выводы 130
Глава IV. Промышленная реализация результатов исследований процессов переработки древесины в жидкое топливо и его энергетического использования
4.1. Промышленная реализация технологической стадии переработки древесины в жидкое топливо
4.1.1. Разработка способа переработки древесины в пиролизную жидкость
4.1.2. Опытно-промышленная установка для переработки древесных отходов методом термического разложения
4.2. Промышленная реализация технологической стадии энергетического использования пиролизной жидкости
4.2.1. Использование пиролизной жидкости в промышленной горелке испарительного типа
4.2.2. Опытно-промышленная установка энергетического использования пиролизной жидкости
4.2.3. Использование пиролизной жидкости в горелке распылительного типа
4.2.4. Исследование состава продуктов сгорания пиролизной жидкости
4.3. Технико-экономическая оценка технологии энергетического использования древесных отходов с применением технологии быстрого пиролиза
Частные выводы 165
Основные выводы 166
Основные обозначения 167
Список использованных источников
- Отходы при производстве целлюлозы
- Формализация процессов совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования
- Экспериментальный стенд для исследования процесса термического разложения древесины
- Опытно-промышленная установка для переработки древесных отходов методом термического разложения
Отходы при производстве целлюлозы
Газификация древесины и другого лигноцеллюлозного сырья в течение многих лет является одним из основных методов производства низкокалорийного топливного газа. Топливный газ может быть непосредственно использован в котельных, обжигательных печах и разного вида топках, а после охлаждения, очистки и осушки - в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Состав получаемых при газификации газов зависит от природы применяемого сырья, типа окислителя, температуры процесса и давления. Наибольшую ценность представляет среднекалорийный газ, особенно синтез-газ (в основном состоящий из СО и Нг). При газификации древесины получают синтез-газ, который по составу идентичен синтез-газу, вырабатываемому газификацией угля, паровой конверсией природного газа и др.
Пиролиз биомассы осуществляется при её нагревании в отсутствии кислорода с образованием жидкого продукта, газов и древесного угля. Выход продуктов пиролиза зависит от условий проведения процесса и типа сырья. В свою очередь, условия процесса определяются природой сырья, заданными продуктами производства.
Из биологических методов превращения биомассы наибольшее распространение получают различные технологии сбраживания. В процессе сбраживания органические вещества разлагаются до СО2 и СН4. Возможность получения высококалорийного топливного газа (СН4) путём биохимической переработки биомассы реализована сравнительно недавно. Процесс сбраживания органических отходов происходит в отсутствии кислорода с участием различных групп бактерий.
Основными преимуществами превращения биомассы методом термохимической газификации являются высокие эффективность и скорость превращения. К недостаткам процесса относится возможность переработки сырья только с низким содержанием влаги, а также высокие температура и давление, сложные техническое оформление и управление процессом.
Сжижение биомассы представляет собой процесс её взаимодействия с оксидом углерода в присутствии щелочного катализатора в жидкой среде при давлении 150-250 ат, температуре 300-350С в течение 10-30 мин. В результате образуется жидкость с температурой кипения 200-350С и энергоёмкостью в 10 раз больше исходного сырья. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путём пиролиза или окислительной газификации большего количества органических веществ.
Наиболее многообещающим методом энергетического использования растительной биомассы является метод термохимической конверсии в жидкие промежуточные продукты. Так, из высушенной биомассы растения Мискантус китайский (слоновья трава), характеризующегося урожайностью до 50 т зеленой массы на гектар и почти не содержащей трудноперерабатываемый лигнин, в результате быстрого (менее секунды) пиролиза при 1 = 450С получена жидкость, близкая к нефти. Выход продукта составил 70%, однако недостатком является высокое содержание кислорода, поэтому сейчас разрабатывается технология его дезоксигенации.
Пиролиз представляет собой процесс термического разложения органических соединений без доступа кислорода и происходит при относительно низких температурах (500-800С) по сравнению с процессами газификации (800-1300С) и горения (900-1200С). Первичными могут быть жидкость, твёрдое углистое вещество вида и параметров процесса пиролиза, вторичными - энергия, топливо и химические продукты [62].
Жидкие продукты пиролиза вызывают большой интерес вследствие их высокой энергетической плотности и потенциальной возможности использования в качестве жидкого топлива. Жидкость, образующуюся в процессе пиролиза, часто называют «масла», «пиротопливо», «бионефть», «биотопливо» или «смолы». Она близка по своему составу к древесине, имеет чуть большую теплоту сгорания (20-25 МДж/кг) и состоит из сложной смеси высокоокисленных углеводородов с содержанием воды до 20% (мае). Необработанная пиролизная жидкость представляет собой густую чёрную смолянистую жидкость, выход которой может достигать до 80% массы сухого сырья (при быстром низкотемпературном пиролизе).
Твёрдые продукты пиролиза. Твёрдым продуктом процесса пиролиза является древесный уголь (QHP = 30 МДж/кг), выход которого может достигать 30-35%) массы сухого сырья при карбонизации и медленном пиролизе. Уголь может использоваться в качестве топлива (в основном для бытового применения в каминах), а также для технологических нужд промышленности (металлургической, электроугольной, фармакологической, для очистки воды и газов).
Газообразные продукты пиролиза представляют собой среднекалорийный газ (QHP = 15-22 МДж/нм ), а при частичной газификации низкокалорийный газ (Q/ = 4-8 МДж/нм ). Выход газообразного топлива может доходить до 70%) массы сухого сырья при высокотемпературном быстром пиролизе. Состав газа зависит от сырья и параметров процесса. Эти продукты имеют высокий уровень углеводородов (в частности, метана). Теплотворная способность повышается, если использовать газ, пока он горячий и содержит относительно много смол. Такой газ обычно используется в самом процессе пиролиза для поддержания температуры процесса и сушки исходного сырья. В составе продуктов пиролиза выявлено несколько сотен химических составляющих. Более высокая ценность отдельных химических продуктов по сравнению с топливом могла бы сделать выгодным извлечение этих продуктов даже при их небольших концентрациях. Интегральный подход к проблеме получения химических продуктов и топлива открывает широкие возможности в этом направлении.
Современные технологии пиролиза биомассы могут быть разделены по таким характерным признакам: скорость нагрева (быстрый, медленный пиролиз); среда, в которой происходит пиролиз (вакуумный, гидропиролиз, метанопиролиз). Характеристики основных технологий пиролиза обобщены [62] в табл. 1.1.
Формализация процессов совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования
Расчёт стадии термического разложения древесины осуществляется следующим образом. Начальными условиями являются данные о сырье, режимные параметры процесса быстрого пиролиза и другие характеристики и постоянные. Затем происходит расчёт кинетических констант химического процесса термического разложения древесины (2.5) - (2.7). На основе этих данных методом прогонки определяются поля парциальных плотностей по выражениям (2.1) - (2.4). После расчёта вторичных реакций термического разложения по выражениям (2.25) и (2.26) определяется массовый расход пиролизной жидкости по выражению (2.28).
Для расчёта математической модели стадии распыливания пиролизной жидкости применяются данные о коэффициентах вязкости и поверхностного натяжения, полученные экспериментально. Исходными параметрами данной стадии являются расходы и скорости воздуха и пиролизной жидкости. В результате расчёта данной математической модели получаем данные о зависимостях диаметра капли от давления воздуха, распыляющего пиролизную жидкость, и от температуры подогрева пиролизной жидкости. Полученные данные являются начальными условиями для дальнейшего расчёта процесса горения.
Расчёт математической модели стадии термического разложения пиролизной жидкости предполагает задание данных о её начальной плотности коэффициенте теплопроводности, коэффициенте теплоёмкости и плотности газовой фазы. Решение дифференциальных уравнений (2.36)-(2.38) позволяет получить данные об изменении парциальных плотностей продуктов разложения пиролизной жидкости.
Для решения дифференциальных уравнений (2.40) й (2.47) необходимо определить скорость газового потока и поток парогазовой смеси от поверхности капли. Эти данные получаем методом простой итерации с помощью выражений (2.44) и (2.45).
При решении математической модели стадии горения коксового остатка следует рассчитать критерий Рейнольдса для данной частицы, после чего определить критерий Шервуда и диффузионно-химический критерий по выражениям (2.60), (2.61) и (2.62). При данной температуре определяются скорости химических реакций (2.75)-(2.79). Полученное значение потока углерода (2.59) используется для определения изменения массы по длине камеры сгорания (2.58). Результатом расчёта модели является получение данных о времени выгорания коксовой частицы.
На основании анализа физической картины и формализации совокупности процессов термического разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и её энергетического использования разработано математическое описание термического разложения древесины, а также трёх стадий горения капли пиролизной жидкости: стадии пневматического распыливания пиролизной жидкости в газовую среду с образованием капли, стадии термического разложения пиролизной жидкости на парогазовую смесь и уголь с выделением теплоты, стадии выгорания коксового остатка с образованием продуктов сгорания. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, решение которых позволяет получить данные о параметрах процесса горения пиролизной жидкости. При соответствующих начальных и граничных условиях разработанная модель позволяет провести моделирование при различных значениях скорости нагрева, влажности исходного сырья, учитывая время пребывания парогазовой смеси в зоне реакции и определить выход продуктов быстрого пиролиза. Полученные данные позволяют оценить термическую эффективность стадии термического разложения. Также модель позволяет оценить влияние режимных параметров (таких, как температура жидкости и воздуха, давление распыливания) и свойств пиролизной жидкости (коэффициенты вязкости, поверхностного натяжения, теплопроводности, химический состав) на диаметр распыляемой капли, температурное поле в камере сгорания и время выгорания частицы. Для замыкания описанной математической модели необходимо проведение экспериментальных исследований по определению ряда физико-химических параметров.
Экспериментальный стенд для исследования процесса термического разложения древесины
Для экспериментального исследования стадии энергетического использования пиролизной жидкости разработан переносной испытательный стенд, схема которого представлена на рис. 3.5. За основу стенда была взята универсальная распылительная горелка фирмы KG/UB 55 фирмы «Kroll GmbH» мощностью 55 кВт. Испытательный стенд состоит из: топливного насоса 1; бака запаса топлива 2, снабжённого заборной трубкой 3; нагревательного элемента 4, термостата 5 и предохранителя перелива топлива 6, установленных в баке нагрева 7; компрессора 8; манометра 9; вентилятора 10; сопловой трубы 11; рассекателя 12; муфеля 13 и термопар 14, установленных в камере сгорания 16; блока анализа продуктов сгорания, включающего в себя барботажное устройство 17, сепаратор 18, датчик кислорода 19, компрессор 20 и ротаметр 21.
Экспериментальный стенд работает следующим образом. Забор топлива осуществляется с помощью топливного насоса 1 из бака запаса топлива 2 через заборную трубку с поплавком 3. Затем топливо подаётся в бак нагрева 7, имеющий нагревательный элемент 4, термостат 5 и предохранитель перелива топлива 6. Из бака нагрева топливо поступает в сопловую трубу 11, где смешивается с воздухом, подаваемым компрессором 8. Смесь топлива и воздуха проходит через рассекатель 12 и распыляется в камере сгорания 16. Камера сгорания снабжена муфелем 13 для поддержания высокой температуры и обеспечения стабильности горения. Температурное поле в факеле 15 снимается с помощью термопар 14. Блок анализа продуктов сгорания пиролизной жидкости состоит из барботажного устройства 17, где происходит отделение твёрдых частиц, сепаратора 18, осушающего топочные газы, датчика кислорода 19, ротаметра 21 и компрессора 20. Предусмотрена возможность анализа твёрдых частиц, осаждаемых в барботажном устройстве, и забора проб газообразных продуктов на выходе из блока анализа.
Универсальная горелка в составе стенда работает следующим образом (рис. 3.6). Топливо из топливного бака подаётся в камеру предварительного разогрева горелки. Температура подогрева задаётся регулятором в зависимости от вида топлива. Топливо разогревается до температуры, обеспечивающей необходимую текучесть (0-140С в зависимости от вида топлива), и по топливной магистрали подаётся в форсунку. Сжатый воздух от компрессора распыляет топливо, обеспечивая возможность его воспламенения.
Воздух для поддержания горения («вторичный воздух») подаётся вентилятором горелки. Объём воздуха регулируется специальной заслонкой в зависимости от вида топлива. Воздушная струя закручивается, проходя через рассекатель. Это способствует лучшему распределению горючей смеси по объёму камеры сгорания и более полному сгоранию топлива.
Процесс горения в экспериментальной установки проходит в камере сгорания выполненной в виде муфельной печи. Общий вид муфельной печи представлен на рис. 3.7. Муфельная печь состоит из оребрённого металлического сварного корпуса, внутри которого из шамотного кирпича сложена цилиндрическая камера сгорания. Зазоры между кирпичей уплотнены печным герметиком. В верхней части муфельной печи просверлены 5 отверстий для установки термопар и организации отбора проб. Для исследования температурного поля в факеле использовались платинородиевые термопары ТПР-0392-160.
Для исследования продуктов сгорания пиролизной жидкости был разработан переносная блок анализа продуктов сгорания, схема которого представлена на рис. 3.8.
Зонд 1, изготовленный из медной трубки диаметром 2 мм, погружается внутрь факела горящего топлива. Продукты сгорания через гофрированный металлический шланг для газа 2 поступают в барботажное устройство 3. В барботажном устройстве продукты сгорания барботируют через слой дистиллированной воды, в результате чего твёрдые несгоревшие частицы осаждаются в воде. После барботажного устройства продукты сгорания поступают в сепаратор 4, где они проходят через водопоглощающий материал, силикагель АСКГ, и осушаются. После этого продукты сгорания контактируют с датчиком кислорода ДК-16 (5). Расход продуктов сгорания замеряется на ротаметре РМ-А 0,1 ГУЗ-К (7). Всасывание продуктов сгорания осуществляется с помощью микрокомпрессора АЭН-3 (6). На выходе из установки установлен штуцер 8 для забора проб.
Установка для исследования продуктов сгорания жидкого биотоплива позволяет определять долю и состав твёрдых несгоревших частиц в продуктах сгорания, содержание кислорода, а также отбирать пробы для проведения анализа состава газообразных продуктов сгорания.
Навеска исследуемого материала (древесной щепы) массой около 1 грамма помещается в металлическую сетку. Сетка с материалом запрессовывается с усилием 5 т для оптимального контакта. Сетка с навеской устанавливается в зажимах электродов, на сетке фиксируется термопара. Собранный нагревательный элемент устанавливается в корпус и герметично закрывается пробками с двух сторон. Для удаления кислорода воздуха система продувается азотом. Перед началом процесса трехходовой кран устанавливается в положение открытой системы, и на несколько секунд открывается подача азота из баллона. После прекращения подачи азота трехходовой кран устанавливается в положение закрытой системы. На компьютере активизируется система фиксации температуры и видеосъёмка. На тиристоре устанавливается температурный режим.
Установка включается, в ходе эксперимента с помощью видеосъёмки мерной колбы фиксируются данные об объёме выделившегося пиролизного газа. Один цикл исследования продолжается около 50 с. После выключения установки нагревателъный элемент демонтируется. Измеряется масса образовавшегося остатка (угля).
Для измерения расширения газов в системе при данном температурном режиме установка включается с пустой нагревательной сеткой на 50 секунд.
Таким образом, проведение исследований с использованием данной установки позволяет получить данные о материальном балансе процесса пиролиза древесины (объём пиролизных газов, масса угля) и об изменении температурного поля в ходе процесса.
Опытно-промышленная установка для переработки древесных отходов методом термического разложения
Установка работает следующим образом. Перерабатываемое органосодержащее сырьё подаётся в сущильный бункер, где осуществляется его предварительная сушка до влажности 11-13%. В период запуска твердотопливная топка растапливается с использованием органосодержащего сырья в качестве топлива. Продукты сгорания, пройдя через теплообменник, поступают в рубашку камеры пиролиза, нагревая её. Теплообменник обеспечивает снижение температуры топочных газов до температуры 650С, необходимой для осуществления процесса пиролиза. Топочные газы после выхода из рубашки камеры пиролиза смешиваются в смесительной камере с воздухом до температуры 160-200С и, пройдя через сушильный бункер, выбрасываются в атмосферу. Высушенное органосодержащее сырье поступает в предварительно нагретую камеру пиролиза. Образующиеся в процессе термической переработки парогазовая смесь и уголь поступают соответственно в конденсатор и топку. В конденсаторе происходит конденсация части парогазовой смеси в жидкое топливо. Жидкое топливо поступает в сборник. Несконденсированные продукты пиролиза частично поступают в электрогенератор для преобразования в электрическую энергию, а частично, после предварительного подогрева в теплообменнике до температуры 450-520С, подаются внутрь камеры пиролиза. Причём количество подаваемых внутрь камеры пиролиза с помощью контрольно-регулирующей аппаратуры несконденсированных продуктов пиролиза должно обеспечивать необходимое время пребывания продуктов пиролиза в камере (до 2 секунд) и избыточное давление 500-1000 Па.
Для исключения конденсации поглощённой сушильным агентом влаги, его температура на выходе из бункера должна быть выше 100С. Чтобы обеспечить эффективность процесса сушки, разность температур на входе в сушильный бункер и на выходе из него должна быть максимальной. Снижение температуры сушильного агента менее 160С, в связи с низкой эффективностью процесса сушки, не позволяет обеспечить необходимую влажность поступающего на пиролиз органосодержащего сырья и исключить конденсацию поглощенной сушильным агентом в процессе сушки влаги. Верхний предел температурного диапазона (200С) сушильного агента обеспечивает конвективную сушку органосодержащего сырья с высокой скоростью. Увеличение температуры сущильного агента свыше 200С ведёт к термическому разложению органосодержащего сырья в сушильном бункере и возможности его воспламенения.
Осуществление процесса пиролиза в условиях механоактивации за счёт трения органических частиц о стенки камеры пиролиза позволяет постоянно удалять с поверхности частицы органосодержащего сырья образующийся уголь, что значительно ускоряет протекание реакции пиролиза. Объясняется это тем, что увеличивающийся по толщине в ходе процесса пиролиза слой угля создаёт нарастающее по времени сопротивление теплоподводу и отводу продуктов разложения. Это, в свою очередь, снижает скорость процесса пиролиза, ведёт к вторичному разложению образующихся продуктов пиролиза и исключает стабильность процесса пиролиза и свойств получаемых продуктов пиролиза.
Подача части несконденсированной парогазовой смеси в камеру пиролиза формирует осевую составляющую движущей силы, позволяет интенсифицировать прогрев органосодержащего сырья за счёт конвективного теплообмена и обеспечивает перемещение и время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза менее 2 секунд. Проведение процесса пиролиза органосодержащего сырья при температуре в камере пиролиза 450-650С позволяет получить максимальный выход жидкого топлива. При проведении процесса пиролиза при температурах менее 450С в составе конденсированной жидкой части парогазовой смеси присутствует слишком большое количество воды, что делает энергетическое использование такого жидкого топлива невозможным. При температуре более 650С выход жидкости будет значительно меньше, и основным продуктом реакции будет являться несконденсированная часть парогазовой смеси. Количество подаваемой несконденсированной части парогазовой смеси должно обеспечивать время нахождения продуктов пиролиза в камере пиролиза менее 2 с и небольшое избыточное давление в размере 500-1000 Па.
Быстрый отвод (время нахождения продуктов пиролиза менее 2 секунд) продуктов пиролиза из камеры пиролиза позволяет предотвратить протекание реакций их вторичного термического разложения (и синтеза) и получить в качестве продукта жидкость стабильного качества и с высокой энергетической плотностью.
Постоянное небольшое избыточное давление в диапазоне 500-1000 Па позволяет предотвратить попадание кислорода воздуха в камеру пиролиза, что возможно при давлении менее 500 Па. Избыточное давление свыше 1000 Па значительно усложняет аппаратурное оформление процесса для обеспечения его герметичности и безопасности.
Для выработки электрической энергии были использованы типовые электрогенераторы с приводом в виде двигателей внутреннего сгорания, топливом в которых вместо обычных бензина и пропано-бензиновой смеси служила неконденсированная часть парогазовой смеси.
Использование полученного в процессе пиролиза мелкодисперсного угля для выработки тепловой энергии, необходимой для осуществления настоящего способа позволяет полностью обеспечить процесс термического разложения органосодержащего сырья необходимой тепловой энергией. Топки, работающие на твёрдых дисперсных топливах, достаточно распространены, могут работать в автоматизированном режиме и позволяют обеспечить необходимую автономность всего процесса. Кроме того, дымовые газы, полученные от сжигания угля, значительно более предпочтительны для использования их в качестве сушильного агента, так как они практически не содержат паров воды. Дымовые газы, полученные от сжигания, например, несконденсированной части парогазовой смеси, полученной при пиролизе даже сухого органосодержащего сырья, или даже природного газа, содержат значительное количество влаги, образующейся в результате реакции термического разложения топлива.
Данное обстоятельство связано с тем, что в результате процесса сжигания угля образуется только моноксид углерода, а в результате реакции пиролиза органосодержащих частиц также образуются и другие вещества, такие как водород, кислород и т.д.
Совокупность перечисленных признаков позволяет обеспечить стабильность процесса пиролиза и качества получаемых в результате пиролиза продуктов, а также автономность способа термической переработки органосодержащего сырья.
