Содержание к диссертации
Введение
1. Преимущества технологии газификации для переработки отходов и обзор существующих технологических схем 10
1.1. Проблема отходов 10
1.2. Обоснование применения процесса высокотемпературной газификации 12
1.3. Обзор технологий газификации отходов на основе традиционных источников энергии 16
1.3.1. Фильтрационное горение в сверхадиабатическом режиме 16
1.3.2. Технология Гинцветмет 17
1.3.3. Процесс P.I.T. Pyroflam 18
1.3.4. Технология Thermoselect 20
1.4. Обзор плазменных технологий газификации отходов 23
1.4.1. Технология компании Startech Environmental Corporation 23
1.4.2. Технология РЕМ 25
1.4.3. Технология PEPS 26
1.4.4. Технология Pyroarc 28
1.4.5. Совместная разработка компаний Westinghouse Plasma Corporation и Hitachi Metals Limited 29
1.5. Выводы 31
2. Генератор плазмы для экспериментальной установки 33
2.1. Обоснованней выбор 33
2.2. Описание 36
2.3. Принцип действия и внешние характеристики 37
2.4. Оценка параметров разряда 42
2.5. Выводы 49
3. Технологическая схема экспериментальной установки 50
3.1. Выбор схемы газификатора 50
3.2. Расчёт материального и теплового балансов процесса плазменной газификации различных видов твердых отходов 52
3.3. Основные параметры реактора-газификатора 53
3.4. Основные параметры камеры сжигания продуктового газа 56
3.5. Основные параметры системы охлаждения и очистки отходящих газов 56
3.6. Технологическая схема установки 58
3.7. Выводы 58
4. Описание экспериментальной установки 59
4.1. Реакторный узел 59
4.1.1. Реактор-газификатор 59
4.1.2. Устройство для загрузки реактора 61
4.1.3. Узел удаления несгораемых твердых остатков 63
4.1.4. Узел утилизации получаемого газа 64
4.2. Вспомогательные системы 66
4.2.1. Система охлаждения и очистки отходящих газов 66
4.2.2. Система охлаждения технологического оборудования 68
4.2.3. Система снабжения воздухом и паром 69
4.2.4. Система электроснабжения 69
4.3. Система сбора и отображения информации 70
4.3.1. Контроль состава продукт-газа 72
4.3.2. Измерение температур 75
4.3.3. Измерение давлений 76
4.3.4. Измерение расходов потребляемых сред 77
4.3.5. Пульт управления и контроля 78
4.4. Выводы 79
5. Результаты экспериментов 80
5.1. Тестовые пуски 80
5.2. Сушка футеровки 82
5.3. Тестовые пуски установки с частичной загрузкой реактора 84
5.4. Тестовые пуски установки с полной загрузкой реактора 86
5.5. Плазменная газификация отходов древесины 92
5.6. Сравнение полученных экспериментальных данных 97
5.7. Выводы 99
Заключение 101
Приложение 103
Список литературы 108
- Обоснование применения процесса высокотемпературной газификации
- Принцип действия и внешние характеристики
- Расчёт материального и теплового балансов процесса плазменной газификации различных видов твердых отходов
- Устройство для загрузки реактора
Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема переработки отходов стоит чрезвычайно остро, поэтому «Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов» вошли в перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 года.
Вместе с тем исчерпание мировых запасов нефти и природного газа прогнозируется в течение нескольких ближайших десятилетий, что на фоне постоянного роста мирового потребления этих энергоносителей оказывается весьма близкой перспективой и стало одной из причин наблюдаемого в последнее время постоянного роста цен на энергоресурсы. Поэтому в том же перечне технологий присутствуют «Технологии новых и возобновляемых источников энергии».
Известно, что теплотворной способности многих видов твердых органосодержащих отходов (твердых бытовых, сельскохозяйственных, деревообработки и др.) достаточно для организации процессов их сжигания с целью уничтожения с последующей рекуперацией части энергии — в мире создано огромное количество мусоросжигающих заводов. Однако, гораздо эффективней подвергать органическую массу отходов процессу газификации, в результате которого органическая составляющая отходов преобразуется в горючий газ, который имеет широкий спектр возможностей по дальнейшему применению, главная из которых — энергетическая. Применение же в этих процессах низкотемпературной плазмы по предварительным оценкам и расчётам позволит существенно увеличить их эффективность, а высокие цены на нефть и газ обуславливают их конкурентоспособность.
Однако накопленных теоретических знаний, как о самих генераторах
плазмы, так и о процессах с её участием недостаточно для начала
проектирования крупнотоннажных производств. Необходима
экспериментальная апробация и отработка процессов плазменной газификации отходов, что в итоге обусловило выбор и актуальность темы диссертации.
Диссертационная работа посвящена теоретическому и
экспериментальному исследованию процесса плазменной газификации твёрдых органических отходов на основе мощных генераторов плазмы переменного тока.
Объект и предмет исследования.
Объектами исследований диссертационной работы являются экспериментальная установка плазменной газификации твердых органических отходов и высоковольтный трехфазный электродуговой воздушный генератор плазмы переменного тока со стержневыми электродами, работающий в её составе.
Предметом исследований диссертационной работы являются процессы, происходящие внутри камеры газификатора при взаимодействии плазменного
дутья с твердой органической засыпкой, влияние на них внешних факторов, а также процессы, происходящие внутри разрядной камеры генератора плазмы.
Цель работы.
Проведение комплекса теоретических исследований и разработка новой технологии плазменной газификации органических отходов.
Определение характеристик генератора плазмы для применения его в составе экспериментальной установки. Исследование режимных параметров процессов, происходящих в разрядной камере генератора плазмы.
Создание экспериментальной установки и проведение экспериментальных исследований по плазменной газификации различных видов органических отходов с целью подтверждения полученных расчетно-теоретических данных и обобщения полученных результатов для создания опытно-промышленного образца.
Методы исследований.
Для оценок параметров процессов внутри разрядной камеры генератора плазмы использовались современные методы диагностики (измерения электрических и механических параметров) и элементы теории электрических разрядов в потоках газов. Для определения параметров процессов в реакционной камере использовались датчики температуры и давления. Состав получаемых газов анализировался методами масс- и оптической спектрометрии. Для расчетов равновесных составов использовалась модель термодинамически равновесного реактора, базирующаяся на поиске минимума потенциала Гиббса. При обобщении множеств экспериментальных данных использовались методы регрессионного анализа.
Научная новизна.
Проведен регрессионный анализ обобщенных экспериментальных данных по эксплуатационным характеристикам генератора плазмы. Построены зависимости параметров работы генератора плазмы от расхода плазмообразующего газа в рабочем диапазоне 2-23 г/с. В этом диапазоне электрическая мощность в дугах изменяется от 25 до 37 кВт. Определено, что практически во всем диапазоне рабочих расходов коэффициент преобразования электрической энергии, вложенной в дуги, в энергию плазмообразующего газа превышает 90%. Теплосодержание плазмообразующего газа на выходе из генератора плазмы изменяется от 10 до 2 МДж/кг.
Проведен теоретический анализ параметров процессов внутри разрядной камеры высоковольтного электродугового воздушного генератора плазмы переменного тока трехфазного со стержневыми электродами. Показано, что присутствующие в разрядной камере пары металла электродов обеспечивают запуск генератора плазмы и повторный пробой разрядной области при переходе токов через ноль, а суммарная концентрация электронов в столбе
дуги при максимуме тока обеспечивается ионизацией оксида азота и паров металла электродов.
Проведены расчеты материальных и тепловых балансов процессов плазменной газификации различных видов твердых органических отходов на примере бытовых отходов, отходов древесины и шин. Разработана принципиальная технологическая схема экспериментальной установки, включающая реактор-газификатор, генератор плазмы, камеру сжигания продукт-газа, систему очистки отходящих газов. По расчетным данным в результате этого процесса с 1 кг исходного материала можно получать до 5 м3 продукт-газа (в случае отходов шин) с теплотворной способностью ~6 МДж/м3.
Создана экспериментальная установка плазменной газификации органических отходов условной производительностью 50 кг/ч.
На установке проведена серия экспериментальных исследований процесса плазменной газификации твердых органосодержащих материалов (древесный уголь и отходы дерева). При воздушной газификации древесного угля достигнуто ~40 %"ое (по объёму), а при газификации древесины ~50 %"ое содержание в продукт-газе теплоценных компонентов. Теплотворная способность продукт-газа при газификации древесного угля составляла ~4,1-4,8МДж/кг (~4,4-5,1 МДж/м3), а при газификации древесины ~6,2 МДж/кг (~6МДж/м3).
Практическая ценность.
Результатом теоретических исследований и расчётов материальных и тепловых балансов стало создание экспериментальной установки, позволяющей проводить исследования процессов плазменной газификации различных видов твердых органо-содержащих отходов и других углеродсодержащих веществ условной производительностью 50 кг/ч.
Полученные экспериментальные данные подтверждают теоретические оценки и расчеты и позволяют приступать к проектированию установок переработки отходов методом плазменной газификации в крупных промышленных масштабах (40 000 т/год и более).
Основные положения выносимые на защиту:
- Обоснование применимости метода высокотемпературной плазменной
газификации для переработки твердых органических отходов и получения
из них вторичных коммерческих продуктов.
Использование воздушных генераторов плазмы переменного тока для технологий газификации органических отходов.
Расчет параметров процессов в разрядной камере генератора плазмы.
Разработанная технологическая схема экспериментальной установки и обоснованность результатов, полученных в процессе проведения экспериментов.
Апробация работы и научные публикации.
По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:
The 28th IEEE International Conference on Plasma Science. (28я Международная конференция по исследованиям плазмы), (г. Лас-Вегас, США, 2001г).
Чистая Россия (г. Москва, 2002г).
VI экологический форум (г. Санкт-Петербург, 2006).
High Technology Plasma Processes HTTP9 (9яМеждународная конференция по высокотехнологичным плазменным процессам), (г. Санкт-Петербург, 2006г).
XI Школа молодых ученых. ФИАН. (г. Звенигород, 2006г).
Политехнический симпозиум, (г. Санкт-Петербург, 2006г).
XXII Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (п. Эльбрус, 2007г).
Публикации.
Основной материал диссертации опубликован в 9 работах: 6 статей, 5 из которых в рецензируемых изданиях, и 3 тезисов докладов. Печатные статьи в рецензируемых изданиях:
Plasma Furnace for Treatment of Solid Toxic Wastes / Ph.G.Rutberg, AA.Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Popov, S.D.Popov, A.V.Surov, V.V.Shegolev, M.Caplan II High Temperature Material Processes. An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. Ed. J. Amouroux, P. Fauchais.- New York.: Begell house, 2001.- Vol.5.- Issue 1. P.51-57 (Плазменная печь для переработки твердых токсичных отходов / Ф.Г. Рутберг, А.А. Сафронов, А.Н. Братцев, В.Е. Попов и др. // Высокотемпературная обработка материалов. Международное ежеквартальное издание по высокотехнологичным плазменным процессам. Под. ред. Ж.Амуру, П.Фошэ-Нью-Йорк.: БегельХауз, 2001-Т. 5-Выпуск 1)
Установка для плазменной газификации различных видов отходов / А.Н. Братцев, В.Е. Попов, А.Ф. Рутберг, СВ. Штенгель // Теплофизика высоких температур.-2006-Т. 44, № 6.-С. 832-837.
Ф.Г. Рутберг, А.Н. Братцев, В.Е. Попов / Плазмохимические методы переработки. Газификация и пиролиз отходов // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Справочные приложения, базы и банки данных. Тематический том XI-5. Прикладная химия плазмы. Под ред. Ю.А. Лебедева, Н.А. Платэ, В.Е. Фортова-М.: Янус-К, 2006-Стр. 7-33.
Some aspects of development and creation of plasma technology for solid waste gasification / A.N. Bratsev, V.E. Popov, S.V. Shtengel, A.Ph. Rutberg II High Temperature Material Processes. An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. Ed. J. Amouroux, P. Fauchais- New York.: Begell house, 2006.- Vol.10.- Issue 4.- P.549-556. (Некоторые аспекты разработки и создания плазменной технологии газификации твердых отходов / А.Н. Братцев, В.Е. Попов, СВ. Штенгель, А.Ф. Рутберг // Высокотемпературная
8 обработка материалов. Международное ежеквартальное издание по высокотехнологичным плазменным процессам. Под. ред. Ж.Амуру, П.Фошэ. New-York.: Begell House, 2006 - Т. 10- Выпуск 4).
5. Особенности работы высоковольтного генератора плазмы переменного тока
в составе экспериментальной установки плазменной высокотемпературной
газификации твердой органики / Кущёв С.А., Наконечный Г.В., Овчинников
Р.В., Попов В.Е. и др. // Физика экстремальных состояний вещества - 2007.
Под ред. Фортова В.Е., Ефремова В.П., Хищенко К.В. и др.- Черноголовка.:
ИПХФ РАН, 2007.-С.321.
Печатные статьи в нерецензируемых изданиях:
6. Переработка твердых отходов методом плазменной газификации / А.Н.
Братцев, В.Е. Попов, СВ. Штенгель, А.А. Уфимцев // Вода и экология:
проблемы и решения- 2006- №4 (29).- С.69-73.
Тезисы докладов
Попов В.Е., Суров А.В., Никонов А.В. Опытно-промышленный плазмохимический реактор // III Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов: Тез. докл.- С.-Пб., 1998.
Plasma Technologies Of Solid And Liquid Toxic Waste Desinfection / Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.N.Shiryaev, V.E.Popov, S.D.Popov, A.V.Surov II The 28th IEEE International Conference on Plasma Science. IEEE Conference Record Abstract- Las Vegas, 2001.- P.324. (Плазменные технологии обезвреживания твердых и жидких токсичных отходов / Ф.Г. Рутберг, А.А. Сафронов, А.Н. Братцев, В.Н. Ширяев, В.Е. Попов и др. // 28я Международная конференция по изучению плазмы. Сборник абстрактов конференции. Лас-Вегас, 2001).
Some aspects of development and creation of plasma technology for solid waste gasification / A.N.Bratsev, V.E.Popov, S.V.Shtengel, A.Ph.Rutberg // HTTP9 High Technology Plasma Processes. Book of abstracts- St-Petersburg, 2006. (Некоторые аспекты разработки и создания плазменной технологии газификации твердых отходов / А.Н. Братцев, В.Е. Попов, СВ. Штенгель, А.Ф. Рутберг // Сборник абстрактов 9й Международной конфенренции по высокотехнологичным плазменным процессам).
Структура диссертации и краткая аннотация глав.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе показываются преимущества процесса высокотемпературной плазменной газификации твердых органических отходов. Выполнен обзор существующих технологий и установок газификации отходов, рассмотрены принципиальные схемы современных технологических процессов. Особое внимание уделено плазменным методам. На примере действующих установок, построенных компаниями США, Швеции, Японии и других показаны преимущества плазменных технологий над традиционными.
Во второй главе определен спектр веществ для проведения экспериментальных исследований процесса плазменной газификации и
выбрана производительность экспериментальной установки. На основе предварительного расчета процесса определены требования к параметрам плазмы для экспериментальной установки и обоснован выбор конструкции генератора плазмы. Приведены экспериментально определенные характеристики генератора плазмы, оценочный расчёт параметров дугового разряда и анализ источников электронов проводимости.
В третьей главе приведено обоснование выбора схемы газификатора. Приведены результаты расчетов материальных и тепловых балансов стадии газификации различных типов отходов. Обоснован состав технологической схемы установки. Приводятся результаты расчетов основных параметров аппаратов технологической схемы.
В четвертой главе приведено подробное описание созданной экспериментальной установки плазменной газификации твёрдых органических отходов. Особое внимание уделено средствам измерений и диагностики.
В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований процесса плазменной газификации древесного угля и отходов древесины.
В заключении подведены итоги проведенной работы и намечены пути дальнейшего совершенствования разработанной технологии.
В приложении приведен оценочный расчёт параметров установки плазменной газификации органических отходов производительностью 40 000 тонн в год, выполненный на основе информации и экспериментальных данных, полученных в ходе подготовки диссертационной работы.
Объем диссертации.
Диссертация изложена на ИЗ страницах, включает 21 таблицу, 57 рисунков и список литературы из 107 наименований.
Обоснование применения процесса высокотемпературной газификации
Процессы газификации и пиролиза твердых промышленных и бытовых отходов наиболее активно разрабатывались в середине 1970"х годов. В этот период в разных странах был сооружен ряд пилотных и опытно-промышленных установок, часть которых эксплуатируется и в настоящее время. Кроме того, тогда и впоследствии были предложены способы пиролиза отходов с использованием для этой цели некоторых действующих агрегатов для переработки твёрдого топлива [8].
Однако широкого распространения эти разработки не получили вследствие ограниченности возможностей квалифицированного использования продуктов низкотемпературного пиролиза отходов.
Так, рекомендации по использованию смол из изношенных шин и бытовых отходов сводятся в основном к применению их в качестве котельного топлива [9]. Однако для использования в этом направлении смолы должны быть предварительно освобождены от низкокипящих ( 200 С) фракций, которым потребуется найти самостоятельное применение [10]. Между тем, по разным оценкам, схемы, связанные с фракционированием смол и последующей переработкой их отдельных фракций, как, впрочем, и непосредственное использование суммарных смол в качестве добавок к нефтяным топливам, экономически неэффективны и в обозримом будущем вряд ли смогут быть реализованы. Заметим, что и древесная смола, использование которой хорошо освоено в промышленности [11], в сравнении с нефтехимическими продуктами оказалась полностью неконкурентоспособной. Вследствие этого пиролизные установки на лесохимических заводах были переориентированы на получение в качестве товарного продукта только древесного угля с сжиганием всей образующейся в процессе парогазовой смеси без выделения из нее конденсирующихся фракций [12].
Аналогичная ситуация сложилась с использованием твердых остатков, в которых концентрируется значительная часть углерода исходных отходов. Предложен, например, целый ряд технических решений для получения из остатка пиролиза шин высококачественных углеродных наполнителей и адсорбентов [9, 13, 14]. Однако промышленная реализация их связана с необходимостью сложной, многооперационной и дорогостоящей дополнительной обработки остатков и потому проблематична.
В конечном итоге, из продуктов термообработки отходов безусловное применение может найти только горючий газ. Однако при низкотемпературном пиролизе, например, резины и древесины выход газа составляет всего 70-140 м3/т, и при его сжигании утилизируется не более 8-12 % потенциального тепла исходных отходов.
Характеристика основных реакций, протекающих при газификации твердых отходов, представлена в таблице 1 [15]. Для практических расчетов с достаточной точностью можно ограничиться лишь процессами (5), (6) и (10) [16]. Поскольку равновесие всех реакций, протекающих с участием кислорода, практически полностью смещено вправо, то в равновесной газовой смеси его не может быть. Остальные реакции являются линейными комбинациями уравнений (5), (6) и (10).
Реакция (5) является эндотермической, поэтому с увеличением температуры ее константа равновесия возрастает, и в получаемом газе увеличивается концентрация конечного продукта (СО) и уменьшается содержание исходного вещества (С02). В интервале 950-1000 С равновесие практически полностью смещено вправо, а при 400-450 С — влево. Реакции (6) и (10) экзотермичны, и для них увеличение температуры приводит к уменьшению выхода получаемых продуктов.
На протекание рассматриваемых реакций по-разному влияет и изменение давления. Процесс (5) идет с увеличением объема, поэтому при повышении давления равновесие должно сдвигаться в сторону исходного вещества (СОг) с уменьшением содержания СО в конечном газе. Реакция (6), напротив, протекает с уменьшением объема, в связи с чем для нее повышение давления приводит к увеличению равновесного выхода СН4. В реакции (10) объем реагирующих веществ не изменяется и, следовательно, состав равновесной смеси не зависит от давления.
В области температур выше 950 С суммарное количество СОг, Н20 и СН в газе не превышает 5% (об.), и равновесная смесь состоит практически лишь из СО и Н2 в соотношении близком к 2:1. Увеличение же давления в целом приводит к снижению количеств СО и Н2. Поэтому для получения газа, преимущественно состоящего из указанных компонентов, процесс целесообразно вести при давлении не выше атмосферного и температуре не менее 950-1000 С. В реальном процессе, в зависимости от реакционной способности газифицируемого топлива, температура, как правило, поддерживается на более высоком уровне (1200-1300 С и даже выше). Высокая температура газификации не только обеспечивает существенное сокращение времени достижения равновесия в реагирующей системе, но и позволяет значительно интенсифицировать процесс в целом.
В случае же газификации отходов следует также учитывать наличие в них таких элементов, как, например, хлор. Известно, что самые токсичные соединения с его участием — диоксины — стали основной причиной роста негативного отношения к мусоросжигающим заводам [17]. Пик их образования в дымовых газах печных агрегатов приходится на интервал температур 900-1000 С [18]. Следовательно, при газификации отходов температура получаемого газа должна быть вне указанного предела. Поэтому, учитывая всё вышесказанное, можно утверждать, что температура продукт-газа на выходе из газификатора должна поддерживаться на уровне 1200 С и больше (имея ввиду то, что в реальном процессе она может отклоняться в ту или иную сторону от указанного значения).
Решающим фактором процесса газификации является подвод тепла в восстановительную зону газогенератора для компенсации эндотермического эффекта реакций углерода с С02 и Н20. Способ подвода тепла и тип дутья определяются при этом заданным составом продуктового газа. Для получения газа, состоящего в основном из СО и Н2 и содержащего минимум балластного азота, могут быть использованы способы, известные из практики производства водяного газа: - попеременная подача в газогенератор воздушного и парового дутья с раздельным отбором воздушного и целевого водяного газа (циклический процесс; - применение парокислородного дутья (непрерывный процесс). Разработан, кроме того, ряд способов подвода физического тепла в эндотермическую зону с помощью высоконагретого теплоносителя. Нагрев последнего может осуществляться либо в регенераторах или рекуператорах (если используется газовый теплоноситель), либо в специальных печах (твердый или жидкий теплоноситель). В качестве газового теплоносителя можно использовать собственный генераторный газ, твердыми теплоносителями могут быть зола топлива, оксиды алюминия, кальция и магния, а жидкими — расплавленные металлы или соли [16,19, 20].
Принцип действия и внешние характеристики
Принцип работы генератора плазмы этого типа заключается в следующем. К электродам прикладывается высокое напряжение (6 кВ), Под его воздействием происходит электрический пробой в зонах минимального зазора между электродами и стенками каналов. Зажигаются короткие электрические дуги. Далее под воздействием тангенциальных потоков плазмообразуюшего газа они выносятся на торцы электродов, вытягиваются по длине каналов, замыкаются между собой, минуя корпус, и стабилизируются. Образуется три сдвинутых по фазе проводящих плазменных столба. Плазмообразующий газ, в результате теплообмена с дугами нагретый до высоких температур, истекает из каналов и образует плазменный факел на выходе из генератора плазмы. На Рис. 18 представлены характерные осциллограммы токов и напряжений плазмотрона. Различия формы кривых напряжений соседних периодов в данном случае обусловлены приэлектродными процессами (в частности, хаотичным перемещением привязок дуг по торцам электродов, не изменяющих длину дуги) и нестабильностью положения области замыкания дуговых столбов между собой, обусловленной наличием турбулентности на выходе газовых потоков из дуговых каналов [65, 66].
В связи с тем, что в своё время данная конструкция генератора плазмы не была достаточно исследована, а также вследствие реконфигурации источника питания, потребовалось провести дополнительные исследования эксплуатационных характеристик этого генератора плазмы. Величина падения напряжения на дугах зависит от расхода плазмообразующего газа (Рис. 19). Ток меняется незначительно (19-23 А). Зависимость имеет растущий характер, поскольку при увеличении расхода газа увеличивается интенсивность обдува столба дуги, что ведет к росту напряженности [67]. Также несколько увеличивается длина дуги. Эта особенность позволяет плавно изменять режим работы генератора плазмы без его выключения, что имеет практическую важность при внедрении таких генераторов в технологические процессы. Диапазон расходов воздуха при условии сохранения стабильности работы составляет от 2 до 23 г/с.
Сравнение значений температур плазмы при соответствующих расходах с необходимыми для осуществления процесса плазменной газификации (Таблица 6) показывает, что экспериментально полученные характеристики генератора плазмы несколько ниже требуемых по расчету. Так, при расходе плазмообразуюшего газа 72 кг/ч (20 г/с) температура плазмы составит -1575 С, тогда как по расчёту требуется 1940 С. Вследствие чего, следует ожидать снижения реальной прозводительности установки и температурного режима газификации, а также предусмотреть возможность установки дополнительного генератора плазмы, с целью экспериментального подтверждения расчетных данных. Установка второго плазмотрона позволит одновременно повысить равномерность ввода плазменного дутья. 2.4. Оценка параметров разряда
Оценка параметров процессов, происходящих в дуговом разряде генератора плазмы, возможна в приближении локального термодинамического равновесия. Оно имеет место, поскольку электрические параметры дугового разряда в генераторе плазмы неременного тока, внешние и определяюшие по отношению к газодинамической системе электрической дуги, претерпевают существенные изменения на временах порядка миллисекунды [70], тогда как характерные времена протекания газофазных реакций при температурах более 2000-3000 К на несколько порядков меньше [71-73J.
Для расхода плазмообразующего воздуха 40 м3/ч (13 г/с), с необходимым запасом удовлетворявшего требованиям технологического процесса при установке двух генераторов плазмы, и являющегося наиболее устойчивым режимом работы данного генератора плазмы среднее действующее значение падения напряжения на электродах U составляет 1080 В (Рис. 19), среднее действующее значение тока дуги Г — 21,6 А.
Величина анодного и катодного падения для таких разряде ІО-ї-20 В [74-76]. В данном расчете примем для каждого і величину— 15 В. Длину дуги можно приблизительно оцешп 24). Она составляет 325+325+50=700 мм или 70 см. Прс анодного и катодного падений не учитывается, поскольку д дугового разряда она составляет 10 см и меньше [77, 78]. напряженность поля в столбе дугового разряда составит 15 В/
Роль ионов заключается в основном в нейтрализации пространственного заряда электронов [77, 80], и ток в плазме в основном переносится электронами. Тогда, пренебрегая диффузией электронов из канала, можно приравнять плотность электронного тока средней плотности тока, подсчитанной путем деления тока на площадь сечения канала.
Дрейфовую скорость можно оценить, зная отношение напряженности поля к общему числу частиц [81-86], которое в свою очередь зависит от температуры и давления. Судя по конфигурации разрядной камеры, дуга горит при давлении близком к атмосферному (при работе на открытое пространство). Температуру же в зоне разряда Т можно приблизительно оценить, зная проводимость газа а [87].
Расчёт материального и теплового балансов процесса плазменной газификации различных видов твердых отходов
Для выбранной схемы обращенного процесса газификации были проведены расчеты материального и теплового баланса. При этом учитывались следующие величины потерь: - потери в виде пыли для отходов древесины и RDF — 3 %, для отходов шин — 2 % от массы исходного материала; - потери углерода со шлаком: для отходов древесины — 1 % от массы исходного материала, для отходов шин и RDF — 30 % от массы золы. Прямые потери тепла в окружающую среду оценивались для реактора газификатора в размере 9 кВт с учетом ориентировочно определенной площади теплоотдающей поверхности и оснащения реактора огнеупорной футеровкой и многослойной теплоизоляцией, обеспечивающей поддержание температуры наружной поверхности корпуса не выше 50 С. При расчете теплового баланса учитывался также экзотермический тепловой эффект реакций пирогенетического разложения отходов, который был принят равным 5,5 % от их теплоты сгорания.
Температура воздушной плазмы, поступающей из плазмотрона, подбиралась таким образом, чтобы температура газа на выходе из реактора была на уровне 1200 С. Температура водяного пара (вторичного дутья) — 100 С.
Указанные условия должны выполняться при определенной принятой интенсивности газификации — массы газифицируемого в единицу времени топлива, отнесенной к единице поперечного сечения шахты газификатора (выражается в кг/м2-ч).
Практически величина интенсивности газификации для различных видов топлива и режимов работы газогенераторов колеблется в очень широких пределах: от 50 до 1500 кг/м2-ч и выше [98-102]. Для реактора-газификатора, который создается для отработки новой технологии с использованием в качестве исходного сырья существенно различающихся между собой видов твердых отходов, следует задаваться невысокими значениями интенсивности газификации, учитывая, что уменьшение этой величины при неизменной производительности приводит к увеличению размеров реактора. С учетом сказанного, для расчета плазменного реактора-газификатора принята величина интенсивности газификации, равная 200 кг/м -ч.
В газогенераторах обращенного процесса ввод дутья осуществляется в середину высоты слоя топлива. Часть топлива, располагающаяся выше уровня ввода дутья, служит, главным образом, "затворным" слоем, препятствующим проникновению атмосферного воздуха к топливу. Здесь же топливо подвергается подготовке — сушке и частичному разложению (полукоксованию). Эти процессы осуществляются за счет тепла, отдаваемого нижележащей зоной излучением и теплопроводностью. Очевидно, что такой подвод тепла отличается невысокой интенсивностью и поэтому высота зоны подготовки топлива очень мала. Основной же процесс газификации происходит в зоне контакта топлива с дутьем, называемой активной зоной. Именно к этой зоне относятся оценки времени пребывания топлива в реакторе и времени контакта с газом.
Необходимое время пребывания топлива в реакторе-газификаторе на практике также варьируется в широких пределах: от 15-17 до 2-2,5 ч и меньше. При этом меньшие значения данной величины выбираются для высокотемпературного процесса, протекающего в диффузионной области [102, 103], что, собственно, и имеет место при плазменной газификации отходов в обращенном процессе. Интенсивность гетерогенных реакций в диффузионной области практически не зависит от активности твердой поверхности (при температурах порядка 1200 С и выше реакционные способности всех топлив выравниваются) [98]. Скорость расходования газообразных реагентов и восстановления СО2 в СО определяется в этих условиях не кинетическими, а, главным образом, гидродинамическими факторами — характером распределения и скоростью газового потока [98, 102]. Учитывая изложенное, время пребывания отходов в активной зоне реактора-газификатора с определенным запасом принимается равным 4 ч.
На основании заданной производительности по отходам, принятых интенсивности их газификации и времени пребывания в реакторе можно определить размеры последнего. Дополнительно для этого необходимо задаться величинами средней насыпной плотности отходов и отношения общего объема шахты реактора к объему газифицируемого в нем топлива.
Насыпная плотность различных видов отходов будет неодинаковой, но для расчетов она без большой погрешности может быть принята в среднем равной 400 кг/м3. Что касается определения общего объема шахты реактора, то для газогенераторов в общем случае в зависимости от свойств перерабатываемого топлива отношение объема шахты к объему топлива, перерабатываемого за сутки, изменяется от 1,2 до 2,5 [103]. Принято среднее значение этой величины, равное 1,9.
От высоты слоя топлива и скорости потока газообразных реагентов зависит продолжительность контакта газов и газифицируемого материала. В свою очередь, от продолжительности контакта с раскаленным углеродом зависит полнота восстановления СОг и Н20 в зоне газификации. При одинаковой температуре полнота восстановления тем больше, чем больше продолжительность контакта, а при одинаковой продолжительности контакта реакции восстановления протекают тем глубже, чем выше температура.
Обычно в газогенераторах прямого процесса время пребывания газов в зоне восстановления составляет 1-2 с [99-102]. Можно полагать, что при обеспечении такой же продолжительности контакта в реакторе обращенного процесса высокотемпературной плазменной газификации будет получен качественно лучший, чем в обычном прямом процессе, газ, по составу приближающийся к равновесному.
Для успешного осуществления процесса в реакторе большое значение имеет равномерное распределение дутьевых газов по всему поперечному сечению топлива (отходов) и хорошее обтекание твердых частиц газами. С этой целью используется специальное распределительное устройство. Если это устройство располагается внутри реактора, то для компенсации занимаемого им объема расчетный диаметр шахты должен быть соответственно увеличен. Равномерное же распределение потока газа по сечению слоя зернистого материала наблюдается при отношении диаметра слоя к характерному размеру частиц в пределах 20-40 [104].
Практическое использование полученного на экспериментальной установке продукт-газа не имеет смысла вследствие его небольших количеств, неоднородности состава и дискретности времен отдельных экспериментов. Поэтому перед выбросом в атмосферу, его необходимо доокислить или попросту сжечь. Для осуществления этого процесса в технологическую схему введен дополнительный аппарат — вертикальная камера сжигания, которая по существу является отдельно стоящей топкой.
Устройство для загрузки реактора
В верхней части реактора расположен бункер объемом 1,8 м . Запаса экспериментального материала, размещаемого в нем, хватает на 15 часов непрерывной работы (при насыпной плотности 400 кг/м и условной производительности реактора 50 кг/ч). Этого времени достаточно для вывода реактора на режим и работы при стационарных параметрах в течение как минимум 4х часов.
Дополнительно реактор снабжён устройством для дозагрузки экспериментального материала в процессе работы. Оно размещено на одном из вспомогательных фланцев верхней крышки (см. Рис. 31). Это шлюзовая камера (поз.1 Рис. 32) объемом 120 л, закрывающаяся сверху крышкой (2), а снизу колоколом (3). Герметичность верхнего люка обеспечивает резиновая прокладка, обжимаемая с помощью винта (4). Герметичность нижнего люка обеспечивается уплотнением типа «конус на конус» и соответствующим натягом рукоятки (5), которая системой тяг и рычагов связана с колоколом (3). Закрытое положение фиксируется либо противовесом, либо иным устройством.
Порядок работы устройства следующий. Шлюзовая камера через верхний люк заполняется требуемым количеством экспериментального материала (в зависимости от плотности 20-55 кг). Крышка (2) открыта, рукоятка (5) зафиксирована в нижнем положении и выход в реактор закрыт. Затем крышка (2) верхнего люка закрывается и задраивается болтом (4). Рукоятка (5) освобождается и переводится вверх до отказа. Связанный с ней колокол (3) опускается и освобождает проход материалу в реактор. Затем рукоятка (5) переводится обратно в нижнее положение и с натягом фиксируется. Устройство вновь готово для загрузки следующей порции. Работая таким образом, устройство может обеспечить производительность 240-660 кг/ч.
В процессе газификации органическая составляющая отходов, проходя ряд последовательных стадий, преобразуется в синтез-газ и улетучивается из реакционной камеры. Минеральная же составляющая образует так называемый зольный остаток или шлак. Его удаление из реакционной камеры и возможное дальнейшее использование представляет собой отдельную, технически сложную и энергоемкую задачу.
Практически во всех, существующих на данный момент в мире, плазменных установках применяется жидкое шлакоудаление. В них в том или ином виде присутствует ванна расплава. Основным недостатком такого способа является существенная энергоемкость процесса. На образование расплава и подержание его в жидком виде требуются значительные затраты энергии, ставящие под вопрос рентабельность установки. Помимо экономических аспектов, существуют также и технологические трудности. Необходимо применение специальных материалов и устройств. Единственным довольно существенным плюсом таких систем является то, что остеклованный шлак представляет собой материал, имеющий возможность коммерческого использования (например при строительстве дорог или формировании ландшафтов).
На описываемой установке вопрос удаления шлака решен традиционным способом [100] — через щели в колосниковой решетке (Рис. 33, поз.1). Для предотвращения зашлаковывания предусмотрено ее медленное вращение (1-12 час"1), а эффективность процесса шлакоудаления обеспечивается расположением решетки под некоторым углом к горизонту. Гашение шлака осуществляется в расположенной ниже ванне с водой (2), которая одновременно герметизирует нижнюю часть реактора от проникновения атмосферного воздуха — т.е. образует водяной затвор. Со дна ванны шлак удаляется специальным скребком, либо насосом.
Ванна с колосниковой решеткой через подшипник скольжения опирается на стойки (3), смонтированные на подставке (4). Вся конструкция установлена соосно с нижней юбкой реактора (5) и закреплена болтами на опорной раме (6). Здесь же установлен электромеханический привод, осуществляющий вращение колосника. Он состоит из электродвигателя (7) и червячного редуктора (8). На выходном валу редуктора установлен кривошип (9) с изменяемым плечом. Изменение плеча кривошипа осуществляется вращением регулировочного винта (10), который изменяет положение ползуна (11). Текущее положение ползуна контролируется по указателю (12) и шкале (13). Фиксация ползуна в заданном положении осуществляется прижимной пластиной (14) и болтом (15). На ось кривошипа надета тяга (16), соединенная с рычагом (17). Рычаг (17) установлен на одном валу с храповиком (18), но в отличе от него — по скользящей посадке, тогда как храповик жестко связан с валом шпоночным соединением. Таким же соединением с валом связана ванна (2). На рычаге (17) равномерно распределены 5 собачек (19), поочередно входящих в зацепление с зубьями храповика. Постоянный контакт носиков собачек с их поверхностью обеспечивают пластинчатые пружины (20).
Вал электродвигателя (7) вращяется со скоростью 700 об./мин. Передаточное отношение редуктора (8) — 80. То есть скорость вращения выходного вала редуктора составляет 8,75 об./мин. Кривошип (9) преобразует вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение тяги (16), что заставляет рычаг (17) качаться вокруг его оси. Большее плечо кривошипа соответствует большей амплитуде качания. Рабочим ходом рычага является его движение по часовой стрелке. По мере его обратного хода (т.е. против часовой стрелки) собачки (19) скользят по зубьям храповика. Число собачек и расстояние между ними подобрано таким образом, чтобы при рабочем ходе рычага, даже при минимальной амплитуде, одна из них гарантированно вошла в зацепление с зубом и осуществила передачу усилия на колесо храповика. Полученная таким образом, скорость вращения храповика, а вместе с ним и ванны с колосником, может регулироваться в диапазоне от 1 до 12 оборотов в час.
Сигнал от телекамеры поступает на монитор пульта управления установкой. Для предотвращения серьёзных повреждений оборудования и, как следствие, возможных травм обслуживающего персонала во время нештатных ситуаций камера дожигания снабжена взрывным клапаном (10), представляющим из себя мембрану из паронита толщиной 2 мм. Избыточное давление, необходимое для разрыва мембраны, составляет около 0,5 атм. В аппарате также предусмотрено снижение температуры отходящих газов перед их подачей в остальные аппараты технологической цепочки. Этот процесс осуществляется за счет испарения распыляемых навстречу потоку мелких капель воды, которые поступают от форсунки (II), установленной на верхнем фланце дожигателя. Дробление струи воды на мелкие капли происходит за счет центробежных эффектов создаваемых в сопловом устройстве форсунки.
