V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

ГАЗИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Древесина содержит три главных компонента:

- горючеевещество - уголь 50 – 52 % и водород 6 – 6,5 %;

- золу (калий, кальций, магний) при содержании 0,5 %;

- влагу от 20 % до 60 %.

В связанном состоянии содержатся кислород (40 – 45%), азот (около 0,2 %) и сера (около 1 %).

При нагревании большая часть древесины (80 %) превращается в газ и сгорает в газообразном состоянии и меньшая часть сгорает в связанном виде в твёрдом слое. [20]

Газификация древесины, как и других видов твердого топлива,— это процесс превращения ее в газообразное топливо. Реакция образования основной горючей части генераторного газа проходит по уравнению

2С+0₂ = 2СО +246,44 кДж (1)

Это уравнение выражает происходящий в газогенераторе процесс неполного окисления раскаленного угля кислородом воздуха с образованием оксида углерода. При избытке воздуха происходит полное сгорание топлива:

С+0₂=С0₂ +408,84 кДж (2)

В отличие от сжигания газификация производится при ограниченном доступе воздуха в газогенератор, достаточном только для образования оксида углерода. При газификации, кроме реакции неполного окисления углерода, идет и ряд других реакций. Например, углерод взаимодействует с углекислотой:

С+С0₂ = 2СО—162,41 кДж. (3)

Эта реакция обратима, при высоких температурах в слое раскаленного угля в газогенераторе она идет в сторону образования оксида углерода. При введении водяного пара в газогенератор реакция его с раскаленным углеродом идет с поглощением тепла (эндотермически) по уравнениям:

С + Н₂0 = Н₂ + СО—118,82 кДж (4)

С+2Н₃0 = С0₂ + 2Н₂—75,24 кДж (5)

Первая из этих реакций идет при более высокой температуре, а вторая — при относительно пониженной (ниже 900 °С).

В этом случае образующийся газ содержит два горючих компонента: оксид углерода и водород.

В газовой фазе могут протекать и другие реакции. Так, возможна реакция между оксидом углерода и водяным паром:

СО + Н₂О=СО₂ + Н₂ + 43,1 кДж (6)

При взаимодействии СО и Н₂ может образоваться метан:

СО + ЗН₂ =СН₄ + Н₂О + 203,7 кДж (7)

Метан в условиях процесса подвергается термическому распаду

СН₄ —> С + 2Н₂ —71,1 кДж (8)

Сочетание всех этих реакций и определяет состав образующегося газа, отличающегося высокой теплотворной способностью (около 4000—4500 ккал/м³). По калорийности такой газ удовлетворяет требованиям газа для бытовых целей.

При пиролизе древесины при высоких температурах выход газа может достигать 30—35% от веса сухой древесины вместо 20—25% при обычной сухой перегонке при 400°. Соответственно выход древесного угля уменьшается до 15% вместо 20—25% по весу. [29]

При высокой температуре уменьшается выход кислот и других ценных низкокипящих продуктов ввиду их термического распада при соприкосновении с раскаленными стенками и углем.

Высокотемпературный пиролиз можно провести при температуре от 600 до 800°. Максимальный выход смолы получается при 600°, максимальный выход газа при 800°.

Скорость реакций газификации лимитируется скоростью химических превращений в газовой фазе и на поверхности твердой фазы, а также скоростью диффузии. При температурах 700—800 °С процесс газификации тормозится преимущественно химической реакцией, а при температурах выше 900 °С — преимущественно диффузией. В реальных условиях суммарный процесс газификации протекает в промежуточной области, и скорость его зависит от кинетических и диффузионных факторов.

Процессы газификации интенсифицируют путем повышения температуры, увеличения давления газификации (что позволяет значительно увеличить парциальные давления реагирующих веществ), а также увеличения скорости дутья, концентрации кислорода в дутье или развития реакционной поверхности.[21]

Выход газа, его состав и теплота сгорания изменяются в зависимости от того, что используется в качестве дутья. Названия газов, получаемых при использовании различных видов дутья, приведены в табл.1.

Табл.1. Древесные газы в зависимости от вида дутья

Вид дутья	Название получаемого газа
Сухой воздух	Воздушный газ
Смесь воздуха и водяного пара	Полуводяной газ
Водяной пар (при внешнем подводе тепла)	Водяной газ
Смесь кислорода и водяного пара	Оксиводяной газ

Для сопоставления составов и свойств этих газов следует сделать следующие допущения: газовая смесь состоит только из горючих компонентов (единственный возможный балласт — азот воздуха); газифицируется чистый углерод; не учитываются потери тепла. Газы, отвечающие этим допущениям, называют идеальными генераторными газами. [16]

Процесс пиролиза древесины разделяют на 4 стадии:

Первая стадия пиролиза древесины — это сушка древесины до температуры 130-155°С за счет подвода тепла из вне, данный процесс сопровождается удалением из древесины воды и изменением ряда компонентов древесины, что существенно сказывается на последующем процессе пиролиза;

Вторая стадия пиролиза древесины — это начало разложения древесины которое происходит при температуре 155-280°С и сопровождается распадом менее стойких ее составных частей; на этой стадии, идущей с подводом тепла, образуются углекислый газ, окись углерода, уксусная кислота и ряд других веществ;

Третья стадия пиролиза древесины — это испарение и образование основного количества продуктов разложения древесины происходит при температуре 280-455 °С, сопровождается бурным выделением тепла (экзотермический процесс); при этом выделяются большие количества CO2, СО, CH4, эфиров, карбонильных соединений, углеводородов, уксусной кислоты, ее гомологов и метанола, а под конец начинается удаление смолы;

Четвертая стадия пиролиза древесины — это прокаливание древесного остатка; данный процесс протекает при температуре 455-560 °С за счет дополнительного подвода тепла извне; в этот период выделяется и удаляется тяжелая смола, а также СО2, Н2, СО и углеводороды; на этой стадии процесс пиролиза заканчивается остаток после его завершения представляет собой древесный уголь. [10]

Из изложенного выше следует, что газификация представляет собой сложное сочетание гетерогенных и гомогенных процессов. Возможно и последовательное, и параллельное протекание этих реакций. Механизм этих процессов до сих пор еще до конца не выяснен. Так, если первой стадией взаимодействия кислорода и углерода в зоне горения считают образование поверхностного углерод-кислородного адсорбционного комплекса, то вопрос о том, что является первичным продуктом взаимодействия водяного пара с раскаленным коксом, является предметом дискуссий

Получаемые на практике генераторные газы отличаются по выходу и составу от идеальных.

Во-первых, уголь нельзя считать чистым углеродом, поэтому выход горючих компонентов в расчете на 1 кг органической массы угля всегда значительно меньше. В первую очередь это относится к молодым углям, отличающимся высоким содержанием кислорода, а тем более к торфу.

Во-вторых, в генераторных газах всегда содержится заметное количество СО₂. Химическое равновесие в газогенераторах не достигается, поэтому содержание СО₂ всегда превышает равновесную концентрацию.

В-третьих, в зоне подготовки угля образуются пары воды и летучие продукты термического разложения, которые попадают в состав газа.

В любом газе содержится большее или меньшее количество азота, что снижает реальную теплоту сгорания газа, так как при сжигании газа часть тепла расходуется на нагревание балластного азота.

В реальных условиях газификации вследствие неравномерного распределения зон и смешения потоков часть горючих газов сгорает с образованием водяного пара и СО₂. Кроме того, в реальных условиях газификации неизбежны различные тепловые потери (в окружающую среду, с горячими газами, со шлаком и уносимым топливом). Поэтому фактические значения термических коэффициентов полезного действия значительно меньше величин, рассчитанных для идеальных условий.

Обоснование экспериментальных исследований

Древесина и древесная биомасса довольно существенно различается по своим физико-техническим характеристикам. Это определяет необходимость обобщения уже имеющихся данных по свойствам древесины, а также проведение экспериментальных исследований там, где мы сталкиваемся с нехваткой данных о свойствах, необходимых для проектирования газогенераторных установок.

Также одно из обоснований заключается в необходимости проведения экологически чистой переработки НДОД с использованием выделяющегося тепла на нужды отопления. Это позволяет снизить потребление других видов топлива.

Полученные результаты дадут возможность определить оптимальные режимы энергетической переработки древесины и её компонентов в современных газогенераторах.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ГАЗОГЕНЕРАТОР VIESSMANN VITOLIG 150 (80кВт)

Vitolig 150— мощный водогрейный котел для сжигания поленьев, древесных брикетов или чурок.

Процесс газификации древесины (пиролиз) происходит в верхней камере котла (загрузочном пространстве) под действием жара и при ограниченном доступе воздуха. Возникающий древесный газ, достигая сопла, смешивается там с вторичным воздухом. Смесь воздух-газ воспламеняется уже в сопле и сгорает в керамической камере сгорания (зольнике), сконструированной так, что падающую золу легко удалить через нижнюю дверцу. Образующееся тепло через теплообменные поверхности передается котловой воде. Благодаря такому управлению процессом сжигания достигается быстрый нагрев керамических элементов до температуры, способствующей чистому сгоранию топлива как при полной, так и при частичной нагрузке

За подачу необходимого количества воздуха в камеру сгорания отвечает вентилятор, расположенный под защитной крышкой на передней стороне котла. Скорость его вращения регулирует контроллер в пределах 40-100%, изменяя тем самым требуемую мощность котла. Минимальное количество тепла, которое нужно отбирать у котла для нормальной эксплуатации, соответствует 50% номинальной мощности.

Процесс сжигания регулирует простой в обслуживании электронный контроллер с возможностью дистанционного управления. К нему подключен датчик температуры помещения, снабженный индикатором, сигнализирующим о необходимости добавить топливо. Микропроцессорное регулирование позволяет развить КПД котла до 89% и обеспечивает низкий уровень выбросов.

Для защиты от перегрева в корпус Vitolig 150-25 встроен охлаждающий контур. К нему через специальные присоединительные патрубки подключается аварийный клапан. У котла большая топка, рассчитанная на поленья длиной до 80 см.

Рис 1. Экспериментальный котёл ViessmannVitolig 150

Технические характеристики газогенератора ViessmannVitolig 150:

Номинальная тепловая мощность 80 кВт

Допустимая температура контура котловой воды 95^оС

Максимальное рабочее давление котла 1,8 бар

Объём котловой воды 205 л

Объем загрузочной топки 465 л

Средняя температура дымовых газов 240^оС

Диаметр дымохода 210мм

Габаритные размеры 1650*835*1590мм

Масса с теплоизоляцией 1040кг

Измеритель влажности древесины ИВД-1К

Прибор ИВД-1К (рис.2) предназначен для измерения влажности пиломатериалов, заготовок и изделий из химически необработанной древесины на предприятиях деревообрабатывающей промышленности, в строительстве и других предприятиях, использующих древесину.

Измеритель выполнен на базе современной большой интегральной схемы и имеет цифровую индикацию, которая вмонтирована в миниатюрный

пластмассовыйударопрочный корпус.

Рис.2 Влагомер ИВД-1К

Принцип действия прибора построен на зависимости электрического сопротивления древесины от её влажности. Сопротивление переводится в процент влажности и отображается на жидкокристаллическом индикаторе.

Технические характеристики ИВД-1К:

Диапазон измерений влажности 8-20 ±1%, 20-60±3%.

Диапазон рабочих температур 0…40°С

Влажность воздуха рабочая не более 80 %

Размеры прибора 25x75x120 мм

Вес комплекта 350 г

Питание батарея 9V 6F22

Потребляемый ток 5мА

газоанлизатор MRU OPTIMA 7

Портативный газоанализаторOptima 7 для анализа дымовых и технологических газов, а так же для контроля выбросов вредных веществ измеряет до 5 газов одновременно. Данный газоанализатор идеально подходит для наладки и контроля котлов и турбин, а также экологического мониторинга.

Концентрацию О₂ измеряет 2-х электродный сенсор.

Концентрацию токсичных газов (СО, NO, NO₂, SO₂, H₂S) измеряют 3-х электродные сенсоры. Главным достоинством этой технологии является линейная зависимость выходного сигнала

Рис 3.Газоанализатор

от концентрации газа. 3-х электродный сенсор состоит из: измерительного электрода, рабочего электрода и сравнительного электрода.

Технические характеристики MRU OPTIMA 7

Каналы измерения
O2
Диапазон измерения	0 - 21,0 об. %
CO (с компенсацией H2 )
Диапазон измерения	0 - 4.000 ppm, возможно до 10.000 ppm
CO высокое
Диапазон измерения	0 - 4.000 ppm, возможно до 20.000 ppm
NO
Диапазон измерения	0 - 1.000 ppm, возможно до 5.000 ppm
NO2
Диапазон измерения	0 - 200 ppm, возможно до 1.000 ppm
Скорость газового потока
Диапазон измерения	1 м/сек до 100 м/сек
Погрешность	± 1 м/сек или 1 % от измеренного значения
Размерность	мг/Нм3, приведенный к O2, мг/КВтч, NOx как мг/Нм3 NO2
Рабочая температура	+ 5 - + 45 °C, максимально 95 % ОВ, без конденсации
Температура хранения	- 20 - + 50 °C
Электропитание	4 аккумулятора NiMh (тип АА), на 8 часов непрерывной работы,
сетевой адаптер для зарядки аккумуляторов 90 - 260В / 6 – 9В
Масса	не более. 1 кг.
Габариты	(Ш x Д x В) 80 x 210 x 55 мм

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Перед загрузкой дров в топку газогенератора выбирается три образца для замера влажности. Испытания проходят сначала на свежесрубленной древесине, затем на древесине после сушки. Загружается полная топка приблизительно 0,5м³, затем испытания повторяются с загрузкой топки 50%. Замеряется время до полного сгорания, а также уходящих газов через 2 часа после розжига (во время устойчивого горения пиролизного газа). Также замеряется время с начала розжига котла до образования пиролизного газа

В первую очередь испытания проводятся на березе, а затем всё по аналогии с вышесказанным на сосне и древесных брикетах.

Табл.2. Экспериментальные данные по сжиганию берёзы Wcр=45%

Влажность, W %			Время горения дров		Уходящие дымовые газы					Время образования древесного газа
1	2	3	100% загрузка топки	50% загрузка топки	Tух 0С	CO мг/м3	CO2 мг/м3	NОХ мг/м3	СnHm мг/м3	Через 1 час 7 минут после растопки
43	45	47	8ч.33мин	3ч.47мин.	160	4300	230	246	298

Примечание: Горение древесного газа нестабильное цвет пламени - светло-оранжевый, сильное дымовыделение

Табл.3. Экспериментальные данные по сжиганию берёзы Wcр=19%

Влажность, W %			Время горения дров		Уходящие дымовые газы					Время образования древесного газа
1	2	3	100% загрузка топки	50% загрузка топки	Tух 0С	CO мг/м3	CO2 мг/м3	NОХ мг/м3	СnHm мг/м3	Через 35 мин. после растопки
18	19	20	8ч.44мин.	4ч.06мин.	175	4200	332	187	267

Примечание: горение газа стабильное, цвет пламени - белый.

Табл.4. Экспериментальные данные по сжиганию сосны Wcр=43%

Влажность, W %			Время горения дров		Уходящие дымовые газы					Время образования древесного газа
1	2	3	100% загрузка топки	50% загрузка топки	Tух 0С	CO мг/м3	CO2 мг/м3	NОХ мг/м3	СnHm мг/м3	Через 1ч. 26мин. после растопки
46	40	43	7ч.59мин.	3ч.50мин.	170	4300	210	177	365

Примечание: горение газа нестабильное, цвет пламени - оранжевый, обильное выделение жидких продуктов, загрязнился котёл.

Табл.5. Экспериментальные данные по сжиганию сосны Wcр=21%

Влажность, W %			Время горения дров		Уходящие дымовые газы					Время образования древесного газа
1	2	3	100% загрузка топки	50% загрузка топки	Tух 0С	CO мг/м3	CO2 мг/м3	NОХ мг/м3	СnHm мг/м3	Через 43 мин после растопки
20	21	22	8ч.11мин.	4ч.00мин.	175	3950	195	223	431

Примечание: Горение газа стабильное, цвет пламени - белый, обильное выделение золы

Табл.6. Экспериментальные данные по сжиганию древесных брикетов Wcр=8%

Влажность, W %			Время горения дров		Уходящие дымовые газы					Время образования древесного газа
1	2	3	100% загрузка топки	50% загрузка топки	Tух 0С	CO мг/м3	CO2 мг/м3	NОХ мг/м3	СnHm мг/м3	Через 26 мин после растопки
9	9	7	10ч.38мин.	5ч.12мин.	160	4000	196	206	401

Примечание: Горение газа стабильное, цвет пламени - белый.

На основе полученных экспериментальных данных строим графики зависимости длительности растопки от влажности древесины (рис.4.) и график зависимости теплотворной способности газа от периодичности загрузки топлива (рис.5.)

Рис.4. График зависимости длительности растопки от влажности древесины

Рис.5. График зависимости теплотворной способности древесного газа от периодичности загрузки топлива

3.5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ОТ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ КОТЛОВ

Для того чтобы более наглядно был виден экономический эффект от применения газогенераторов (табл.7.) сравним его с напольным газовым котлом аналогичной мощности 80кВт

Таблица 7. Экономический эффект применения газогенераторов

КПД газового и газогенераторного котла можно пренебречь, так как они практически одинаковы и в среднем составляют 85-90%,а у обычного котла на дровах составляет-60%.

Для оценки срока окупаемости газогенераторных котлов необходимо сравнить среднюю рыночную стоимость котлов (рис.6.)

Рис.6. Средняя рыночная стоимость котлов 80 кВт

Срок окупаемости газогенераторного котла:

8704,8 х 5+145000=188524 рублей – необходимо на покупку газогенераторного котла и оплату топлива за 5 месяцев

188524=23428,56хT+90000

T = 4,2месяца - срок окупаемости по отношению к газовому котлу

188524=29016,1хT+45000

T=4,94 месяца – срок окупаемости по отношению к обычному твердотопливному котлу мощностью 80кВт

Срок окупаемости ГГУ менее 5-ти месяцев (менее одного отопительного сезона)

Срок окупаемости может быть уменьшен, используя древесину с санитарной городской вырубки.

По данным „ ДомоуправляющихКомпаний ” (ДУК) за 2010 год по Советскому району города Нижнего Новгорода, объём санитарной вырубки составил – 2400м³

Такую древесину, как правило, увозят на свалки, где нужно платить за утилизацию. На 2010 год в среднем из городского бюджета выделяется по 504 рубля за утилизацию 1 м³ древесины.

За 2010 год по Советскому району выделено 1210000 рублей.

Необходимо не просто утилизировать такую древесину, а получать из неё тепловую энергию в котельных, работающих на газогенераторах

Вывод:

Малым и средним предприятиям Нижнего Новгорода наиболее выгодно переводить котельные на твердое топливо, заключать договора с ДУК и использовать древесину с санитарных вырубок для переработки в высококалорийное топливо по более низкой цене, либо вообще бесплатно

Список литературы:

1. Ковернинский И. Н. Основы технологии химической переработки древесины / РытенкоВ.С., Кондратьева Н.Н., Кознова О.А., Изд-во “Лесная промышленность”, 1984, 183 с.: ил..

2. Гусев Ю. Л. Основы проектирования котельных установок [Текст]/ - Гусев Ю. Л.М., Стройиздат, 1973. 248 с.

3. Эстеркин Р. И. Котельные установки. (Курсовое и дипломное проектирование) [Текст]/ Эстеркин Р. И. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 227 с.: ил..

4. ГоловковС.И. Энергитическое использование древесных отходов /КоперинИ.Ф., Найденов В.И., Изд-во “Лесная промышленность”, 1987, 216 с.: ил..

5. Славянский А.К.Химическая технология древесины/ ШарковВ.И., Ливеровский А.А., Буевской А.В., ГОСЛЕБУМИЗДАТ, Москва 1962, 577 с.: ил..

6. Выродов В.А.Технология лесохимических производств/КислицынА.Н., Глухарева М.И., Киприанов А.И., Изд-во “Лесная промышленность”, 1987, 352 с.: ил..

7. Сергеев В.В. Научно-технические предпосылки для газификации растительной биомассы / В.В.Сергеев/ Научные исследования и инновационная деятельность: материалы науч.-практ. конф. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. – С. 148-153.

8. Сергеев В.В. Проектирование и расчет газогенераторных установок при использовании биомассы.: Учеб. пособие / В.В.Сергеев, А.А.Калютик, В.Н.Моршин, Л.П.Стешенков. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2004. – С.60.

9. Гамбург Д.Ю. Производство генераторного газа на базе твердого топлива /Семёнов, В.П. ,Химическая промышленность.-1983,152с

10. Зорина Г.И. Современные тенденции развития технологии газификации твердого топлива. // Химия твердого топлива. - 1986.- №3.-с.82-93.

Код для цитирования: Скопировать