БИОМАССА Как источник энергии

Основные уравнения

Процесс газификации биомассы сопровождается различного рода реак-. циями, многие из которых являются сопряженными. Поскольку кинети­ка процессов газификации биомассы и угля во многом аналогична, рас­смотрим кинетику реакций углерода в процессе газификации угля, используя для этого сведения, содержащиеся в работе [8]. Кинетика ре­акций углерода включает:

Эндотермические реакции Экзотермические реакции

Полукоксование окисление

С + теплота -» СН4 + конденсируе - С + 02 С02 + теплота мые углеводороды + уголь

Гидрогаз ификация пар-углерод С + 2Н2 -> СН4 + теплота

С + Н20 + теплота СО + Н,

Получение водяного газа обратная реакция Будуара н20 + СО -> С02 + Н2 + теплота

С + С02 + теплота -> 2СО

Метанирование

ЗН2 + СО -» СН4 + Н20 + теплота 4Н2 + С02 - СН4 + 2Н20 + теплота

При надлежащей организации процесса контактирования и примене­нии многоступенчатых систем (или других устройств в газификаторе специфического типа) одни реакции могут протекать более интенсивно, чем другие.

Ниже приводится один из возможных методов оценки получения продуктов газификации биомассы в одноступенчатых реакторах, вклю­чающий следующие этапы:

- определение основы для расчета (например, 1000 кг);

- выбор биомассы;

- выражения сырья для газификации в молях с учетом влаги и золы сырья (рис. 2);

- выбор типа газификатора и условий газификации (температура, давление) на основании таких показателей, как влажность сырья, раз­меры частиц и т. п., с учетом конечной характеристики получаемого газа в зависимости от его назначения (например, топливный газ низкого да­вления, синтез-газ высокого давления и т. п.);

- определение некоторых привходящих условий.

Жидкие продукты. В газификаторах некоторого типа (например, в га­зификаторах с неподвижным слоем) получаются жидкие углеводороды, пары которых кондесируются при охлаждении продуктов газификации до 50-100°С перед очисткой газа. В газификаторах другого типа (напри­мер, проталкивающие газификаторы, газификаторы с высокими темпе­ратурами: 1000-1300°С) образуются в основном неконденсирующиеся углеводороды, так как потенциальные жидкие продукты в таком темпе­ратурном интервале подвергаются крекингу и превращаются в газ. При выборе биомассы количество и состав жидких продуктов лучше всего определять экспериментально. Углерод и водород, содержащиеся в кон­денсируемых продуктах, не могут быть использованы для производства водорода и СО без рециркуляции через газификатор. Конденсируемые продукты оказывают также влияние на тепловой баланс газификатора, поскольку они выходят из него в виде паров (пользуясь критериями, рассмотренными в разд. 1, теплосодержание конденсируемых продук­тов на выходе из газификатора представляет собой сумму теплоты сго­рания (25°С), скрытой теплоты парообразования и теплосодержания па­ра от 25°С до температуры выхода из газификатора).

Азот. Поскольку в газификаторах образуются условия для протека­ния реакций восстановления, часть азота, содержащегося в сырье, будет превращаться в аммиак, который в последующем может быть удален. По аналогии с газификацией угля 50-100% азота сырья может быть превращено в аммиак в реакторах с нисходящим слоем.

Сера. К возможным продуктам превращения серы сырья относятся H2S, COS, CS2, меркаптаны и т. п. Наибольшее внимание из них, с точ­ки зрения очистки получаемых продуктов, заслуживают два первых со­единения. Многие виды биомассы содержат небольшое количество серы, поэтому можно полагать, что для получения горючего газа потре - буются минимальные усилия для ее удаления. По аналогии с газифика­цией угля молярное отношение H2S/COS в газе может быть равно при­мерно 20 в газификаторах с неподвижным слоем, 15-с проталкиваемым слоем и 6-е псевдоожиженным слоем (флюид).

Потери углерода. Полное превращение углерода сырья в полезные продукты возможно лишь теоретически, поскольку для этого твердые материалы должны находиться в реакционной зоне практически неогра­ниченное время. Для каждого типа газификатора или метода газифика­ции существует равновесие между перерабатываемым и остающимся углеродом (обычно в виде углистого вещества)". В процессе газифика­ции по мере истощения водорода сырья остающийся углерод становит­ся менее реакционноспособным. В результате небольшая доля (2-5%) поступающего с сырьем углерода может быть удалена из газификатора в виде обуглившихся продуктов (например, 95 масс. % С, 5 масс. % Н) вместе с золой.

Выход метана и других неконденсирующихся углеводородных газов. Большой выход метана и других углеводородных газов наблюдается при высоких давлениях и низких температурах газификации. При гази­фикации угля образуются более высокие концентрации метана по срав­нению с расчетными, полученными для модельной пары (3-графит/водо - род [8]. Следовательно, при расчете выхода метана необходимо учитывать тип сырья и газификатора. Очевидно, что в газификаторах с высокими температурами или с неподвижным слоем выход метана из любого сырья будет незначительным. Значительные выходы метана на­блюдаются в угольных газификаторах с неподвижным слоем и обратным потоком газов и паров. При низкотемпературной верхней зоне удаления летучих веществ 5-10% подаваемого углерода может быть превращено в метан, что достигается при переработке биомассы в газификаторах с неподвижным слоем и обратным потоком [10]. Вы­ход метана из газификатора при переработке биомассы пропорциона­лен доле образующихся летучих веществ. Баланс элементов получаю­щихся продуктов приведен в табл. 5.

Принятые условия газификации. Число оставшихся неизвестных па­раметров процесса равно шести: продукты реакции (Н2, Н20, СО и С02) и скорости подвода водяного пара /пар и кислорода /о2. Обычно эти неизвестные величины входят в пять уравнений: (а) три уравнения, характеризующие балансы элементов С, Н и О, (б) одно уравнение,

" Это равновесие не одинаково для газификации биомассы и угля. Уголь­ная зола обычно инертна и имеет тенденцию блокировать или экранизировать остающиеся очаги активного углерода. В противоположность этому некоторые виды биомассы (например, древесина) отличаются высоким содержанием ще­лочных металлов (Na, К) в золе, которые каталитически действуют на реакции газификации. Так, например, Фельдман [9] экспериментально показал, что дре­весная зола является превосходным катализатором газификации древесины.

Таблица 5. Элементный баланс технологического процесса газификации

Элементы

С

Н

О

N s

Моли элементов в сухом

Беззольном сырье,

А

В

С

D Е

Поступающем в газификатор

Полученные

Общее количество

Моли элементов в соединениях

Продукты

Молей соединений

Молей конденсиру­

(-)

А1

В1

А

Dl Е1

Емой жидкости

Молей NH3

(Da)

3Da

Da

Молей H2S

(Eh)

2Eh

Eh

Молей COS

(Ее)

Ее

Ее

Ее

Потери углерода1'

(—)

Ао

0,6Ао

(если потре­

Буется)2'

Молей СН4

(Am)

Am

4Am

Молей С2Н6

(Ае)

2Ае

6Ае

Прочие соединения3'

(-)

(если потребуется)

Углерод, расходу­емый на обрачова-

Ние СО и С02 А - А1 - Ее - Ао - Am - 2Ае = А' Водород, расходу­емый на образова­ние Н2 и Н20 В - ВІ - 3Da - 2Eh - 0,6Ао - 4Am - 6Ае = В' Кислород, расходу­емый на образова­ние СО, COj и Н20 С - а - Ее = С' Азот, расходуемый на

Образование N2 D — D1 — Da = D' Баланс серы Е = El + Eh + Ее

11 Отношения C-H приводятся для углистого вещества с содержанием 95 масс.% С, 5 масс.% Н. 21 Предполагается, что сера в углистом веществе не содержится.

31 На основании имеющихся данных, кроме Н:, Н20, СО и С03 могут содержать CS2 или дру­гие соединения.

Примечание. А', В' и С'-соответственно углерод, водород и кислород, участвующие в реакциях с воздухом или кислородом и паром.

Определяющее константу равновесия к (Н2)(СОд)

*равн~ (С0)(Н20)' { >

И (в) уравнение общего теплового баланса.

В реакторах с неподвижным слоем и с обратным газовым потоком влага, содержащаяся в сырье (ґн2оК испаряясь, выходит вместе с горя­чими газами. Поэтому в реакторе данного типа содержащаяся в сырье влага не может быть использована для получения Н2 и СО и, следова­тельно, не должна учитываться в уравнениях (а) и (б):

А) Уравнения легко составляются на основе начальных (А', В', С', fs, fo2 и, возможно, fjj2o) и конечных (Н2, Н20, СО и С02) данных. С целью сокращения расходов желательно свести к минимуму моляр­ное отношение пар/окислитель (fs/fo2X

Б) Константа равновесия определяется в случае гетерогенной реак­ции, происходящей на поверхности топлива [8]. Считают, что при высо­ких температурах, типичных для газификационных систем, устанавли­вается термодинамическое равновесие. Температура равновесного со­стояния зависит от типа газификатора: (1) для газификаторов с твердой золой и неподвижным слоем температура поддерживается ниже темпе­ратуры плавления золы, чтобы избежать образование шлака. Для огра­ничения температуры используется также водяной пар; (2) для газифи­каторов с неподвижным слоем, но со шлакованием зольных соединений поддерживается температура, требующаяся для образования жидкого (расплавленного) шлака; (3) для газификаторов с псевдоожиженным слоем и твердой золой температура обычно поддерживается на 25-50°С ниже температуры плавления золы, что обеспечивает требующиеся ско­рости реакций и исключает образование клинкера; (4) для агломерирую­щейся (спекающейся) золы в газификаторах с псевдоожиженным слоем с целью снижения потерь углерода температура поддерживается доста­точной для размягчения золы и (5) в газификаторах с проталкиваемым слоем сырья, шлакованием зольных компонент и малым временем пре­бывания сырья в реакторе температура на выходе обычно поддержи­вается на несколько сотен градусов ниже температуры зоны горения (газификаторы имеют специальное внешнее охлаждение).

Тепловой баланс учитывает ввод и вывод тепла из газификатора в целом.

Ввод тепла включает:

- сырье с его теплотой сгорания плюс влияние любого физического тепла, поступающего в газификатор при температуре выше 25°С (на­пример, после сушки);

- пар при давлении в газификаторе или при большом давлении и со­ответствующей температуре;

- окислитель (воздух или кислород 95-98% чистоты) при давлении в газификаторе или при большом давлении и соответствующей темпе­ратуре ; '

- твердое вещество (например, углистое вещество) или конденсат (например, смола, проходящая газификатор).

Вывод тепла включает:

- газовый поток, т. е. (1) образующиеся неконденсирующиеся при температуре на выходе из газификатора газы Ч (При рассмотрении это­го вопроса удобно пользоваться табл. 3.) Азот, поступающий как с окислителем, так и с ^конвертированным паром, удаляется вместе с образующимися газами; (2) образующиеся конденсирующиеся мате­риалы при температуре на выходе из газификатора [теплота сгорания (25°С), скрытая теплота парообразования при 25°С и влияние тепловых эффектов] [9] и (3) часть золы и неконвертированного углерода (углистое вещество). Для определения влияния тепловых эффектов золы удобно пользоваться теплоємкостями порядка 1,0-1,7 кДж/кг°С, влияние некон­вертированного углерода включает его теплоту сгорания при 25°С (32,740 кДж/кг) плюс влияние тепловых эффектов реакций;

- тепловые потери, которые могут быть оценены в количестве 1-2% тепла, поступающего с сырьем;

- золу и углистое вещество, образующиеся внизу газификатора: при образовании нешлакующейся золы следует руководствоваться п. 3 (с. ООО); при образовании шлакующейся золы, чтобы достичь теплоты пла­вления золы (обычно 700-1150 кДж/кг), необходимо дополнительное те­пло. Обычно изменяются температура пара, температура окислителя и температура на выходе из газификатора, что необходимо учесть при составлении теплового баланса.

Разложение водяного пара на Н2 и 02 при газификации угля обычно колеблется в пределах 25-85% [8]. В газификаторе угля с неподвижным слоем со шлакованием золы разложение пара может достигать и 100% [11]. Разложение водяного пара зависит от температуры в газификато­ре, системы ввода и прохождения пара. Желательна высокая степень разложения пара, поскольку в этом случае потребуется меньше окисли­теля при меньшем количестве непрореагировавшего пара (конденсата).

БИОМАССА Как источник энергии

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Комплекс по производству этанола, где полностью используется сырье (например, пшеничные зерна (рис. 4)), может дать положительный энер­гетический эффект. Такой комплекс включает установку для пронзвод- Ства этанола и промышленного типа хозяйство для откормки рогатого скота. В энергетическом балансе учитывается энергия, расходуемая на выращивание пшеницы, и энергия для производства пара.

Кислород

Микроорганизмы, ответственные за производство этанола фермента­цией, являются факультативными, так как они могут развиваться как при наличии кислорода, так и без него. В присутствии кислорода из на­чального субстрата образуется больше клеточной массы (в 5-10 раз больше, чем в анаэробных условиях), и скорость роста ее увеличивается. Другими словами, аэрацией можно увеличить выход клеточной массы и интенсивность процесса.

Тепловой и энергетический к. п. д

Для составления энергетического баланса необходимо точно опреде­лить границы рассматриваемой системы. Энергетический к. п.д. может быть использован для оценки к. п.д. различных систем по переработке биомассы. Однако в тех случаях, когда процесс переработки биомассы включает стадии производства энергии (например, водяного пара или электроэнергии), более полезным будет сравнение термодинамических к. п. д., поскольку последний дает возможность установить, какая из си­стем для производства работы (энергии) лучше по сравнению с идеаль­ной.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.