Термохимическое разложение гранулированной биомассы в кипящем слое и его аппаратурно-технологическое оформление Климов Дмитрий Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы. Очевидные достоинства и преимущества технологии кипящего слоя (КС) обусловили большие перспективы её использования в химико-технологических производствах, в том числе возможность применения для термохимического разложения биомассы, являющейся СО2-нейтральным возобновляемым ресурсом для получения тепла, синтез-газа или жидких продуктов (бионефти).

Существенным недостатком данной технологии является неоднородность гидродинамической структуры КС, приводящая к значительному пы-леобразованию, потерям сырья с уносом, низкой глубине переработки твёрдой и газовой фаз. Термохимическое разложение биомассы происходит с образованием различных конечных продуктов. При разложении биомассы до С02 и H2O выделяется максимальное количество теплоты, поэтому доля биомассы, окислённой до этих конечных продуктов, может характеризовать эффективность термохимического разложения. Существующие промышленные установки работают с эффективностью 80 - 90 %.

В связи с этим актуальными являются разработка аппаратурного оформления, технологических решений и моделирование термохимического разложения гранулированной биомассы в кипящем слое (в том числе, и каталитическом).

Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития научно-технического комплекса РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», поддержана грантом РФФИ № 14-08-97504 «Физическое обоснование и разработка двухстадийной модели предпиролиза подстилочно-помётной массы птицефабрик в целях улучшения её физико-технических характеристик».

Объектом исследования является процесс термохимического разложения гранулированной биомассы в низкотемпературном КС, режимные параметры процесса, математическое моделирование процесса, организация гидродинамической структуры КС.

Цель работы: повышение эффективности термохимического разложения биомассы в КС за счёт формирования однородной структуры слоя и применения катализатора.

Задачи исследования.

1. Разработать экспериментальный реактор с КС, газораспределительная решётка (ГРР) которого позволяет формировать разные профили скорости ожижающего агента.

2. Исследовать значения локальных коэффициентов теплоотдачи в объёме слоя, в зависимости от скорости воздуха и способа входного газораспределения.

3. Экспериментально исследовать процесс термохимического разложения гранулированной биомассы в инертном и каталитическом кипящих слоях.

4. Разработать математическую модель термохимического разложения гранулированной биомассы в реакторе с низкотемпературным КС, в том числе, в присутствии катализатора; определить параметры модели и проверить её адекватность.

5. Разработать технологическую схемс установки с реактором КС, газораспределительная решётка которого формирует однородную гидродинамическую структуру слоя.

Научная новизна работы.

5. Установлена закономерность влияния формирования газораспределительной решёткой «вогнутого» входного профиля скорости ожижающего агента на интенсификацию внешнего теплообмена, обеспечивающего эффективность термохимического разложения гранулированной биомассы не менее 95%.

6. Получены экспериментальные данные по влиянию катализатора (оливинового песка), из которого сформирован КС, на процесс термохимического разложения биомассы. Показано, что использование оливинового катализатора позволяет снизить уровень выбросов оксида углерода в 1,5-2,0 раза.

7. Разработана и экспериментально апробирована математическая модель термохимического разложения гранулы из биомассы в кипящем слое, учитывающая влияние катализатора и позволяющая рассчитать время, требуемое на удаление влаги, пиролиз и окисление коксового остатка.

Практическая значимость.

8. Создана экспериментальная установка для исследования термохимического разложения гранулированной биомассы в реакторе КС с газораспределительной решёткой, позволяющей формировать разные входные профили скорости ожижающего агента.

9. Разработана методика расчёта реактора КС с газораспределительной решёткой, формирующей «вогнутый» профиль скорости ожижающего агента.

10. Разработана конструкция пилотного реактора производительностью 50 кг/час (патенты №177569 и №028692). Опытный образец пилотного реактора прошёл испытания на производственной базе ОАО «ГСКБ», г. Брест, Республика Беларусь в соответствии с техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности машин и оборудования» - ТР ТС 010/2011.

11. Результаты исследования влияния профиля скорости ожижающего агента на формирование однородной гидродинамической структуры КС были использованы при разработке реактора, изготовленного на ОАО «ПРОДМАШ», г. Ростов-на-Дону, в 2016 году. Серийное производство установок планируется на ОАО «ПРОДМАШ» с 2018 г. При цене реактора в 4 млн. руб. дисконтируемый срок окупаемости составит 3,7 года.

На защиту выносится.

12. Результаты исследования локальных коэффициентов теплоотдачи от погружённой в КС поверхности в зависимости от скорости воздуха и способа входного газораспределения.

13. Конструкция экспериментального реактора с КС, ГРР которого формирует на входе в слой разные профили скорости ожижающего агента.

14. Результаты исследования процесса термохимического разложения гранулированной биомассы в инертном и каталитическом КС.

15. Математическая модель термохимического разложения гранулированной частицы биомассы в КС, в том числе и в присутствии катализатора (оливинового песка).

5. Результаты исследования процесса термохимического разложения соломенных гранул на пилотном реакторе с КС, ГРР которого формирует на входе в слой «вогнутый» профиль скорости ожижающего агента.

6. Методика расчёта воздухораспределительной решётки и реактора с КС в целом.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается обоснованным применением метрологически поверенного оборудования, применением апробированных методов корреляционного анализа при обработке экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 6 международных научных конференциях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента.

Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, основные выводы и результаты, список литературы (91 наименование) и приложения. Работа изложена на 155 страницах текста, содержит 51 рисунок и 16 таблиц.