БИОМАССА Как источник энергии

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ РЕАКЦИИ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ГАЗИФИКАТОРЕ

В газификаторе происходит термохимическое превращение биомассы. Качество топливного газа определяется равновесием, которое дости­гается во время реакций. Визуальные наблюдения за реакциями, проис­ходящими в газификаторе, позволяют понять их характер.

Допустим, что газификатор представляет собой вертикальную шахт­ную печь, наполненную биомассой в виде древесной щепы. Верх газифи­катора закрыт таким образом, что воздух в него не проникает. Внизу газификатора на решетчатом дне размещена древесная щепа. В газифи­каторе имеется система подачи воздуха или водяного пара. Древесина поджигается от источника пламени. После воспламенения щепы в гази­фикаторе образуются четыре реакционные зоны (рис. 9). Ближе к полу газификатора находится зона окисления, а за ней следуют зоны восста­новления, пиролиза и сушки.

В процессе газификации могут происходить следующие реакции (рис. 9):

Зона реактора Реакция АН, кДж/кг моль Номер

Реакции

TOC \o "1-3" \h \z Окисление С + 02 -> С02 + 394 (1)

НгО - ^02 + Н2 +241 (2)

Окисление (вариант с во - С + 2Н20 -» С02 + 2Н2 + 89 (3)

Дяным паром) С + Н20 -> СО + Нг +132 (4)

С + С02 2СО +174 (5)

С + 2Н2 -> СН4 -75 (6)

Пиролиз С02 + Н 2 -> СО + Н20 (ж) - 1,89 (7)

С02 + Н2 ^ СО, + Н20 (г) + 41 (8)

СН4 + ^02 -» СО + 2Н2 + 33 (9)

Сушка Влажная поверхность + Тепло -> Высоко- и средие-

Молекулярные органические жидкости + Углистое ве­щество + СН4 + Н2 + Н20 + СО + со2,

Где ДН характеризует высвобождаемое (минус) или поглощаемое (плюс) тепло при образовании соединения; + ДН-эндотермическая реакция, — ДН-экзотермическая реакция.

Условия равновесия в зоне зависят от температуры и давления. Сте­пень приближения к равновесию зависит от взаимодействия твердых и газообразных веществ и времени пребывания сырья в реакционной зо­не. Например, реакция (6) является экзотермической реакцией водорода с углеродсодержащим веществом. Количество образующегося СН4 за­висит от температуры и давления, при которых происходит реакция; высокое давление и низкая температура способствуют образованию СН4.

В зоне окисления углеродсодержащее вещество окисляется кислоро­дом воздуха, образуя С02. Эта экзотермическая реакция имеет суще­ственное значение для обеспечения тепла, необходимого для завершения реакций в зонах восстановления, пиролиза и сушки. Поскольку какая-то часть углеродсодержащего сырья используется для сгорания, к. п. д. га­зификации, рассчитанный без учета физического тепла топливного газа, редко превышает 70%. Однако тепловой к. п. д. газификации, в процессе которой получаются пиротопливо и углистое вещество, как правило, больше 70%.

Реакция окисления С + 02 -> С02 протекает очень быстро и строго ограничена массопереносом. Хорошо спроектированный гази­фикатор имеет довольно узкую и глубокую (7,6-12,7 см) зону горения. В некоторых случаях к воздуху добавляется водяной пар и получают водяной газ: С + Н20 —► СО + Н2. При конденсации водяных па­ров эта реакция является в какой-то мере экзотермической, в противном случае пар не конденсируется. Мы имеем дело с эндотермической реак­цией. Протекание реакции Н20 -> Н2 + (1/2)02 зависит от темпера­туры.

В связи с тем что количество воздуха, нагнетаемого в зону окисле­ния, меньше, чем требуется для протекания соответствующей реакции, образующиеся в газификаторе продукты сгорания содержат небольшое количество кислорода или не содержат его вообще. В результате в зоне создается бескислородная среда, т. е. условия, благоприятные для проте­кания пиролиза. В процессе пиролиза сырье, содержащее углерод, тер­мически разлагается в бескислородной среде с образованием топливно­го газа, который может иметь низкую или среднюю теплоту сгорания.

Тепло к сырью обычно подается непосредственно (рис. 1). Однако в последнее время переработка твердых отходов иногда ведется по тех­нологии, предусматривающей сгорание сырья при ограниченном коли­честве воздуха (кислорода). Типичным примером такой технологии является процесс Andco Тоггах. Вместе с тем технология переработки твердых отходов, предложенная фирмой Occidental Research, по суще­ству также сводится к пиролизу. Продуктами сгорания части сырья являются С02, Н20, N2 и избыточное количество 02. В газовом пото­ке содержатся С02, СО, Н2, СН4, С2Н4, С3Н6, NH3, H2S, N2, Н20, пары смолы и низкомолекулярных органических жидкостей [1].

(10) 01) (12)

Состав получаемого топливного газа зависит от степени равновесия протекающих реакций. Обычно все реакции горения обратимы:

С02 + 1/202 С02, Н2 + 1/202 <± Н20, С02 + Н2 <=* СО + н2о,

И эта обратимость с повышением температуры возрастает; равновесие

Любой реакции горения может быть сдвинуто путем изменения темпе­ратуры или давления.

(Н20)

Кн20 = К со, =

(Н2)(02)"2'

(СР2) (С0)(02)1/2'

(Н20)(С0)

К

Водяной газ —

Концентрация реагирующих газов может быть выражена через пар­циальное давление каждого газа. Для трех приведенных реакций кон­станта равновесия соответственно равна

(13)

(14)

(со2)(н2) • (,5)

Константы равновесия (рис. 10) могут быть использованы для выяс­нения роли температуры, давления, влажности сырья, отношения горю­чего к окислителю, а также для прогнозирования степени диссоциации газов в реакции и оценки достигнутого равновесия.

10

Рис. 10. Константы равновесия реакций.

[со2]

[СН,]

Ш2

[со2][н2]

[СН<][Н20]

[со] [н2]э

^ . „ [со][н2о]

, С + COi = 2СО; Кг =

СО, + Hj = СО + НіО; , СО + ЗН2 = СН4 + HjO.

С + 2Н2 = СН4; =

Пример. Предположим, что из определенной зоны газификатора, в которой реакции практически завершены, берется проба газа. При этом измеряются тем­пература и содержание влаги в газе. Исходя из состава сухого газа (табл. 1) и содержания в нем влаги, можно вычислить фактический объем влажного газа, что в свою очередь позволяет определить константу равновесия для реакции образования водяного газа (С02 + Н2 -» СО + Н20): _ 0б.°/о(СО - Н2О)

№0) об.% (С02-Н2) '

(15а)

Зная константу равновесия реакции, можно контролировать темпера­туру (рис. 10).

Если предположить, что проба газа содержит 10% Н20, то можно определить состав влажного газа путем деления каждого показателя для сухого газа на величину 1,1. Рассчитанный состав влажного газа приведен в табл. 2.

Таблица 1. Типичный состав сухого газа

Компоненты Содержание, об.% на сухое Компоненты Содержание, об.% на

Вещество сухое вещество

TOC \o "1-3" \h \z С02 10,9 N2 49,8

СО 19,8 02 0,2

Н2 18,2 Другие 0,3

Углеводороды

СН«. 0,8

Таблица 2. Типичный состав влажного газа

Компоненты Об. % на влажное вещество

С02 9,9

СО 18,0

Н2 16,54 СН4 0,73

N2 45,27 02 0,18 Другие углеводороды 0,28 Н20 9,1

Константа равновесия определяется по формуле

[CO][Hp]=_18_xU_ = [С02][Н2] 9,9x16,54

15-89

Из рис. 10 видно, что такому показателю К соответствует темпера­тура 440,6°С. Если температура на самом деле равна, например, 510°, т. е. выше расчетной, то реакция не достигла равновесного состояния.

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@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.